Dostosowanie kesterytowych ogniw słonecznych do potrzeb zasilania w pomieszczeniach
Wiele współcześnie stosowanych komercyjnych technologii fotowoltaicznych sprawdza się dobrze na zewnątrz, ale już dużo gorzej w pomieszczeniach. Pomimo ogólnego spadku kosztów fotowoltaiki systemy solarne przeznaczone do wnętrz nadal mogą być drogie, zawierać toksyczne materiały i często ulegać degradacji z upływem czasu. Ograniczenia te sprawiają, że wykorzystanie ogniw fotowoltaicznych do zastosowań wewnętrznych (IPV) jest nadal ograniczone, mimo że są one potrzebne do zasilania coraz większej liczby urządzeń w ramach „internetu rzeczy” (IoT). Materiały kesterytowe stanowią obiecujące rozwiązanie, ponieważ występują w dużych ilościach oraz są stosunkowo nietoksyczne i stabilne. Jednak kesteryty mają wady wynikające z charakterystycznych właściwości oświetlenia wewnętrznego. „Wewnętrzne światło LED jest znacznie słabsze niż światło słoneczne oraz skoncentrowane w zakresie widzialnym, dlatego kesteryty zoptymalizowane do zastosowań zewnętrznych nie są idealnym rozwiązaniem”, wyjaśnia Edgardo Saucedo(odnośnik otworzy się w nowym oknie), starszy badacz pracujący na Politechnice Katalońskiej(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (UPC) – BarcelonaTech oraz koordynator projektu LEKPV. „Dlatego też załlżeniem projektu LEKPV było dostosowanie kesterytowych materiałów i urządzeń specjalnie do pozyskiwania energii w pomieszczeniach w ramach Internetu rzeczy (IoT) oraz elektroniki o niskim poborze mocy”. W ramach projektu LEKPV, finansowanego ze środków programu działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie), Saucedo i jego współpracownicy połączyli zaawansowane symulacje z procesami przyjaznymi dla środowiska oraz nowatorskimi systemami kesterytowymi, dążąc do poprawy ich wydajności i zapoczątkowania nowej fali technologii IPV. „Ponieważ kesteryty można wytwarzać za pomocą niedrogich, skalowalnych metod opartych na roztworach oraz z wykorzystaniem pierwiastków występujących w dużych ilościach, mają one obiecujący potencjał, jeśli chodzi o przyszłe zastosowania związane z pozyskiwaniem energii w pomieszczeniach na dużą skalę”, zauważa Yuancai Gong, pracownik naukowy z tytułem doktora na UPC i główny badacz w projekcie LEKPV.
Inżynieria ukierunkowana na światło wewnątrz pomieszczeń
Naukowcy połączyli zaawansowane symulacje urządzeń, produkcję absorberów metodą opartą na roztworach oraz ukierunkowaną inżynierię urządzeń, aby zrozumieć i ulepszyć kesterytowe ogniwa słoneczne przeznaczone do pozyskiwania energii ze światła w pomieszczeniach. Przeprowadzili złożone symulacje mające na celu zidentyfikowanie najbardziej odpowiedniego zakresu szerokości pasma wzbronionego oraz kluczowych mechanizmów strat w warunkach oświetlenia LED. W ramach serii eksperymentów uczeni opracowali atrament molekularny oraz konkretne metody przetwarzania w roztworze, umożliwiające nakładanie „absorberów” z kesterytu na powierzchnie. Następnie zmodyfikowali skład chemiczny kesterytów, między innymi poprzez dodanie stopów germanu w celu poprawy ogólnych właściwości materiałów. Zoptymalizowali także obszar, w którym warstwa pochłaniająca światło styka się z innymi warstwami urządzenia, w celu poprawy sprawności w warunkach słabego oświetlenia.
Najwyższa na świecie sprawność
Jednym z kluczowych opublikowanych wyników było osiągnięcie przez konkretne kesterytowe ogniwo słoneczne przeznaczone do użytku w pomieszczeniach sprawności na poziomie 15,1%, podczas gdy urządzenia ze stopami wykazały sprawność w pomieszczeniach sięgającą około 18% w warunkach oświetlenia LED. „To jak dotąd najwyższa sprawność w przypadku tej technologii odnotowana w skali świata”, mówi Saucedo. „Projekt LEKPV wykazał, że ogniwa słoneczne z kesterytu stanowią obiecującą technologię dla fotowoltaiki wewnętrznej, zwłaszcza gdy ich szerokość pasma zabronionego i właściwości defektów są dostosowane do oświetlenia LED”, zauważa Saucedo. Chociaż technologia ta nie jest jeszcze gotowa do wdrożenia na rynku, wyniki projektu mają bezpośrednie znaczenie dla samozasilających się czujników IoT, urządzeń w inteligentnych budynkach oraz elektroniki o niskim poborze mocy, gdzie zastąpienie lub zmniejszenie liczby baterii jednorazowych stanowi ważny czynnik napędzający rynek. Zdaniem Saucedo projekt pokazuje, że fotowoltaika wewnętrzna (IPV) nie powinna polegać wyłącznie na ponownym wykorzystaniu materiałów i koncepcji opracowanych dla fotowoltaiki zewnętrznej. „Pozyskiwanie światła w pomieszczeniach wymaga zastosowania specjalnie zaprojektowanych materiałów, protokołów testowych i optymalizacji urządzeń”, dodaje. „W tym kontekście kesteryt jest szczególnie interesujący”.
W kierunku testów w rzeczywistych warunkach
Naukowcy planują dalszą poprawę sprawności, powtarzalności i stabilności działania urządzeń, przechodząc jednocześnie od ogniw o małej powierzchni do minimodułów i prototypów demonstracyjnych. „Dalsze prace będą się koncentrowały na udoskonaleniu składu absorbera, ograniczeniu strat związanych z defektami, poprawie interfejsów oraz testowaniu urządzeń w rzeczywistych warunkach wewnętrznych”, mówi Saucedo. „Dążymy również do zacieśnienia współpracy z naukowcami i potencjalnymi użytkownikami końcowymi w obszarach IPV, IoT i inteligentnych budynków, aby móc przybliżyć wyniki badań naukowych do praktycznego zastosowania”.
