Budowa organicznych ogniw fotowoltaicznych opiera się na właściwościach węgla. Mówi się, o ich przewadze nad fotowoltaiką krzemową, która z roku na rok zyskuje coraz większą popularność ze względu na ekologiczność i niskie koszty produkcji zielonej energii.
Czym jest organiczna fotowoltaika i czy w przyszłości może ona całkowicie wyeliminować produkcję paneli krzemowych? Oto najważniejsze informacje o pracach, które prowadzą naukowcy z Uniwersytetu w Hiroszimie.
Czym jest organiczna fotowoltaika?
Organiczne ogniwa fotowoltaiczne, nazywane w skrócie OPV, są zbudowane ze związków organicznych. Ich właściwości fizykochemiczne, a także budowa łudząco przypominają powszechnie dostępny plastik. Struktura OPV jest oparta na atomach węgla, polimerach oraz bardzo małych molekułach organicznych, które charakteryzują się zdolnością przewodzenia energii elektrycznej, a także skutecznie absorbują promieniowanie słoneczne.
W czym organiczne panele fotowoltaiczne są lepsze od modeli krzemowych?
Naukowcy pracują nad tym, by znaleźć alternatywę dla paneli fotowoltaicznych, których ogniwa bazują na krzemie. Powszechnie wiadomo, że stosowanie krzemowych ogniw jest w praktyce dość utrudnione z powodu ich wagi, sztywności oraz nieprzezroczystej struktury. Natomiast ogniwa stworzone w sposób organiczny charakteryzują się znacznie większą elastycznością oraz swobodnie przepuszczają światło przez swoją powierzchnię. Taka budowa organicznych ogniw fotowoltaicznych zwiększa możliwości ich zastosowania. Co więcej, mogą one przetwarzać energię słoneczną po zamontowaniu na ścianach namiotów, w oknach lub bezpośrednio na budynkach.
W przypadku fotowoltaiki organicznej mówi się również o tym, że po wdrożeniu jej do produkcji będzie ona znacznie tańsza od rozwiązań, które są obecnie dostępne na rynku. Naukowcy przewidują, że organiczne panele będą wymagać mniejszej ilości energii w procesie produkcyjnym w porównaniu do paneli, które wykorzystują w swoim działaniu krzem. Ponadto takie zmiany mogą realnie wpłynąć na skrócenie drogi transportu wytworzonej w ten sposób zielonej energii. Popularyzacja OPV oraz ich masowa produkcja mogą sprawić, że będą one mogły być zainstalowane dokładnie tam, gdzie są potrzebne.
Energia jest tracona, gdy musi pokonać duże odległości z pola słonecznego do miasta. Wyobraźmy sobie jednak możliwość umieszczenia przezroczystych ogniw słonecznych na szczytach szklarni rolniczych lub na ścianach budynków i na oknach, bliżej miejsc, w których są one potrzebne.
Itaru Osaka
Zdaniem Osaki, nawet w miejscach zniszczonych przez żywioły można byłoby umieszczać OPV, np. na ścianach namiotów ratunkowych. W ten sposób pomoc ofiarom odbywałaby się w dużo lepszych warunkach i nie byłaby ograniczona brakiem dostępu do sieci elektrycznej.
Najważniejsze zalety OPV
Naukowcy przekonują, że do największych zalet organicznej fotowoltaiki można zaliczyć między innymi poniższe cechy:
- elastyczność, która sprawia, że można je wykorzystać na każdej powierzchni, oraz realnie zwiększa możliwość przechowywania w sytuacjach tego wymagających,
- półprzezroczysta struktura, która gwarantuje pozyskiwanie energii ze słońca bez wizualnego efektu ciężkości,
- rozciągliwość, dzięki czemu są znacznie łatwiejsze w montażu.
Jeśli organiczne panele fotowoltaiczne weszłyby do masowej produkcji, mogłyby się one stać jeszcze bardziej powszechne od modeli krzemowych.
Kto pracuje nad udoskonalaniem organicznej fotowoltaiki?
Pierwsze prace nad stworzeniem organicznych paneli fotowoltaicznych rozpoczęły się już w latach 70. Grupa badawcza pod okiem Hideki Shirakawy na Uniwersytecie Tsukuba w Japonii prowadziła takie badania i ostatecznie odniosła sukces w produkcji tworzyw sztucznych, które przewodzą prąd. W 2000 roku cały zespół, do którego należał również Itaru Osaka, został uhonorowany nagrodą Nobla w dziedzinie chemii.
To bardzo ważna technologia i jest bezpośrednio związana z neutralnością węglową.
Itaru Osaka
Dziś Itaru Osaka prowadzi z własnym zespołem prace nad organiczną fotowoltaiką. Grupa badawcza na Uniwersytecie w Hiroszimie pracuje nad ?sprzężonymi polimerami?, by w efekcie stworzyć ?organiczne ogniwa fotowoltaiczne?, których budowa ma być oparta na węglu. 15 doktorantów oraz 2 adiunktów zwiększa swoją wiedzę z zakresu chemii stosowanej, by przez manipulowanie strukturami molekularnymi nauczyć się wytwarzać z nich organiczne panele fotowoltaiczne. Ich zamiarem jest wdrożenie efektów prac badawczych do japońskiego przemysłu.
Dotychczas zespół Osaki osiągnął maksymalną efektywność OPV na poziomie 17%. Natomiast wydajność konwencjonalnych ogniw słonecznych obecnie wynosi 25%. Bieżące prace zespołu Osaki mają na celu zwiększenie wydajności i ograniczenie strat w napięciu.
Jednocześnie Osaka wyjaśnia, że celem nie jest zastąpienie konwencjonalnych ogniw słonecznych opartych na krzemie, które też są coraz bardziej wydajne w przetwarzaniu światła słonecznego na energię. Chodzi tylko o uzupełnienie ich w scenariuszach, w których są one mniej wydajne lub zbyt niewygodne w użyciu.
Kiedy zakończą się prace nad organiczną fotowoltaiką?
Naukowcy uważają, że udoskonalenie techniki działania fotowoltaiki opartej na polimerach sprzężonych potrwa jeszcze kilka lat. To czas, który jest niezbędny, by doprowadzić OPV do komercjalizacji. Jednak z punktu widzenia technicznego jest to krok milowy, który w znacznym stopniu przyczyni się do zmniejszenia emisji dwutlenku węgla do atmosfery, uniezależni ludzkość od wydobywania krzemu oraz pomoże uzyskać niezależność energetyczną. Pracom naukowców towarzyszy wizja stworzenia wydajnych paneli fotowoltaicznych organicznych, które będą lekkie, elastyczne oraz przezroczyste. Ich zdaniem jest to całkowicie możliwe. A czy ta wizja się ziści, dowiemy się za kilka lat.
Źródło:
Organic photovoltaics: the path to lightweight, flexible and transparent solar cells, nature.com
