Jak barwnikowe ogniwa słoneczne mogą zrewolucjonizować energię słoneczną?
Półprzezroczyste ogniwa słoneczne oferują możliwość integracji pozyskiwania energii z powierzchniami budynków i pojazdów. W ostatnich latach pojawiło się kilka nowych technologii, choć większość z nich ma stały poziom przezroczystości i nie może dostosowywać się do zmiennych warunków pogodowych i nasłonecznienia. Ogniwa fotochemiczne (DSSC), zwane też barwnikowymi, są obiecującym, opłacalnym i samoregulującym się rozwiązaniem, które może jeszcze bardziej rozszerzyć powierzchnię dostępną pod energetykę słoneczną w Europie. „Ogniwa fotochemiczne mogą być półprzezroczyste i można je produkować w szerokiej gamie kolorów, co zapewnia estetyczną wszechstronność i czyni je szczególnie atrakcyjnymi dla fotowoltaiki zintegrowanej z budynkami, takiej jak okna i fasady” — wyjaśnia Renaud Demadrille(odnośnik otworzy się w nowym oknie), dyrektor ds. badań i lider zespołu w Komisji Energii Atomowej i Energii Alternatywnych(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (CEA) we Francji. W ramach projektu PISCO, finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), Demadrille i jego zespół oparli się na wcześniejszej nowatorskiej propozycji połączenia koncepcji fotochromizmu i fotowoltaiki, tworząc pierwsze wydajne półprzezroczyste ogniwo słoneczne, które może optycznie dostosowywać się do różnych warunków oświetleniowych i pogodowych. W trakcie prac nad projektem PISCO zespół rozwinął tę koncepcję, tworząc nową klasę ogniw słonecznych, które łączą w sobie te dwie właściwości. „Nasze prace wykazały, że dwa pozornie niekompatybilne zjawiska, fotochromizm i fotowoltaika, mogą być połączone w jednym urządzeniu wykorzystującym jeden rodzaj cząsteczki” — mówi Demadrille.
Samodostosowujące się fotochemiczne ogniwa słoneczne
DSSC to stosunkowo proste urządzenia składające się z warstwowego półprzewodnika, który może adsorbować barwnik i transportować elektrony generowane przez słońce do elektrody. Barwnik zwiększa wrażliwość na światło słoneczne i transportuje elektrony do półprzewodnika. Trzeci składnik, elektrolit, regeneruje barwnik i zamyka obwód. Cały system jest zamknięty pomiędzy dwiema przezroczystymi elektrodami przewodzącymi. Dzięki projektowi PISCO zespół opracował tę technologię w celu zintegrowania jej na dużą skalę w budynkach, transporcie i agrowoltaice w przyszłości, aby wykorzystać jej zmienną i samodostosowującą się przezroczystość. „Wykazano, że ogniwa te mają zdolność do modulowania absorpcji światła i ściemniania się w odpowiedzi na wyższe natężenia światła, zwiększając w ten sposób wytwarzanie energii elektrycznej bez żadnej zewnętrznej manipulacji” — wyjaśnia Demadrille.
Nowa klasa ogniw fotowoltaicznych
Jednym z najważniejszych rezultatów projektu jest opracowanie nowej klasy samodostosowujących się urządzeń fotowoltaicznych. „Projektując nowe barwniki fotochromowe na poziomie molekularnym, stworzyliśmy przezroczyste ogniwa słoneczne z szybkimi procesami barwienia i odbarwiania, a także dobrym współczynnikiem oddawania barw” — dodaje Demadrille. „Zapewnia to dobry komfort wizualny dla użytkowników, a jednocześnie pozwala na produkcję energii elektrycznej”. Prace te posunęły również naprzód szerszą dziedzinę DSSC, w tym wykorzystanie technik uczenia maszynowego do przyspieszenia opracowywania nowych elektrolitów dla ogniw. „Podejście to można zastosować w innych obszarach, takich jak elektrolity baterii” — zauważa Demadrille.
Recykling w celu rozszerzenia integracji DSSC
Ogniwa DSSC zostały już w ograniczonym stopniu zastosowane w rzeczywistych warunkach, na przykład w Centrum Konferencyjnym SwissTech(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w Szwajcarskim Federalnym Instytucie Technologii w Lozannie (EPFL), choć ich zastosowanie jest ograniczone przez ich wydajność i stabilność. Koszty produkcji również pozostają wysokie, jednak recykling mógłby pomóc je obniżyć. „W ramach projektu PISCO opracowaliśmy również metody recyklingu tych ogniw, których obiecującymi wynikami zamierzamy się podzielić w 2026 roku” — mówi Demadrille. „Wdrożenie strategii recyklingu przyczyni się do zmniejszenia zarówno kosztów, jak i śladu węglowego tej technologii”.
