Organiczne ogniwa słoneczne mogłyby zrewolucjonizować magazynowanie energii odnawialnej
Choć każda technologia solarna ma potencjał w zakresie redukcji emisji dwutlenku węgla, magazynowanie wytwarzanej przez nią energii stanowi jedną z największych barier utrudniających upowszechnienie tej formy energii. Pierwsze konkretne koncepcje przechowywania energii ze światła słonecznego w chemicznych wiązaniach cząsteczek, podobnie jak wodór cząsteczkowy, nabierają już kształtów. Magazynowanie wodoru jest możliwe dzięki urządzeniom zwanym elektrolizerami. Wykorzystując energię elektryczną – najlepiej wytwarzaną z energii słonecznej – elektrolizery rozszczepiają wodę na tlen i wodór, będący czystym paliwem. Inny zestaw urządzeń zwanych ogniwami paliwowymi może następnie przekształcić ten wodór z powrotem w energię elektryczną napędzającą pojazdy lub dostępną w sieci energetycznej.
Sztuczna fotosynteza w praktyce
Dzięki dofinansowaniu ze środków unijnych w ramach grantu Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERBN), naukowcy uczestniczący w projekcie TripleSolar zademonstrowali realistyczne urządzenie wielozłączowe – składające się z trzech pojedynczych ogniw słonecznych umieszczonych jedno na drugim – które oznacza wyjście z techniką rozszczepiania wody z laboratorium i zastosowanie jej w praktyce. Pierwsze zastosowanie dotyczyło sztucznego liścia wykonanego z materiałów organicznych, który przetwarza światło słoneczne w wodór ze sprawnością bliską 5,5 %. Oprócz rekordowo wysokiej sprawności rozszczepiania wody, tym, co odróżnia ten sztuczny liść od innych prób produkcji wodoru przy użyciu światła słonecznego, jest fakt, że wykorzystuje on tanie i łatwo dostępne materiały. „Nasz nowy organiczny sztuczny liść stanowi krok w kierunku opracowania bardziej realnych i zrównoważonych rozwiązań energetycznych dla przyszłych pokoleń”. Przetwarzanie światła słonecznego w ładunki elektryczne i natychmiastowe magazynowanie energii pomoże w przyszłości rozwiązać problem niestabilnych dostaw energii odnawialnej”, mówi zdobywca grantu ERBN i kierownik naukowy René Janssen. Co więcej, w projekcie TripleSolar zademonstrowano oprócz trójzłączowych ogniw słonecznych pierwsze czterozłączowe ogniwo organiczne wykonane z czterech organicznych materiałów półprzewodnikowych. Efektywność konwersji energii w tych organicznych ogniwach słonecznych przekroczyła odpowiednio 10 % i 7,5 %.
Nowa wiedza na temat mechanizmu fotokonwersji
Organiczne ogniwa słoneczne są jedną z najbardziej obiecujących technologii konwersji energii. Dzięki obfitości surowców, niskim kosztom produkcji, niskiej masie oraz elastycznej i wielkoskalowej produkcji mogą stać się realną alternatywą dla konwencjonalnych ogniw słonecznych o podłożu krzemowym. Obecne organiczne ogniwa słoneczne mogą osiągać sprawność powyżej 15 %. Wielozłączowe architektury ogniw słonecznych mogą zwiększyć tę sprawność do ponad 20 %. Osiągnięcie tych wysokich wskaźników sprawności jest ogromnym wyzwaniem, które wymaga postępów na wszystkich polach w procesie przetwarzania w celu znacznego zmniejszenia strat energii. W projekcie TripleSolar zbadano i zaprojektowano nowe funkcjonalne cząsteczki organiczne i polimery do zastosowania w urządzeniach z wielozłączowymi ogniwami słonecznymi. „Nasze badania koncentrowały się na poznaniu szczegółowych mechanizmów procesu fotokonwersji (takich jak transport ekscytonów i ładunku). Ta nowa wiedza pomogła w zaprojektowaniu materiałów, które przetwarzają światło słoneczne w energię elektryczną i efektywniej magazynują wytworzoną energię w cząsteczkach takich jak wodór”, wyjaśnia Janssen. W odróżnieniu od jednozłączowych ogniw słonecznych, ogniwa wielozłączowe generują wysoki potencjał chemiczny, który umożliwia rozszczepianie wody na wodór i tlen. Badając mechanizmy kontrolujące trójwymiarową strukturę nanoskalową i właściwości elektroniczne warstw absorbera, badacze projektu zademonstrowali wydajne urządzenia przekształcające energię słoneczną w elektryczność, energię słoneczną w wodór oraz energię słoneczną w tlenek węgla. „Sprawność uzyskana dzięki naszym wielozłączowym organicznym ogniwom słonecznym jest wciąż niższa niż sprawność ich nieorganicznych odpowiedników, która wynosi około 20 %. Dalsze badania przyczynią się do poprawy technologii organicznych ogniw słonecznych pod względem sprawności, stabilności i kosztów, co ostatecznie pomoże w jej wdrożeniu na dużą skalę”, podsumowuje Janssen.
Słowa kluczowe
TripleSolar, wodór, organiczne ogniwo słoneczne, energia odnawialna, wielozłączowe, sztuczne liście, magazynowanie energii
