Skip to main content

Solar Energy Conversion in Molecular Multi-Junctions

Article Category

Article available in the folowing languages:

Organiczne ogniwa słoneczne mogłyby zrewolucjonizować magazynowanie energii odnawialnej

W pracach nad stworzeniem czystego paliwa z wody, światła słonecznego i dwutlenku węgla oraz wykorzystania go do przechowywania energii odnawialnej pojawił się nowy, ekscytujący przełom. Naukowcy korzystający ze wsparcia środków unijnych dokonali pionierskiej syntezy materiałów organicznych, które mogą skuteczniej niż dotychczas przekształcać energię słoneczną w paliwo wodorowe.

Badania podstawowe
Zdrowie

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

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania