Pozyskiwanie energii elektrycznej ze światła słonecznego jest coraz powszechniejszą technologią wykorzystywaną w trosce o środowisko. O badaniach w dziedzinie fotowoltaiki mówią dr inż. Katarzyna Znajdek i dr hab. inż. Maciej Sibiński z Wydziału Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki PŁ.
Czym są elastyczne ogniwa fotowoltaiczne?
To urządzenia mogące zamienić energię słoneczną, docierającą do nas w postaci światła, na energię elektryczną. Bardzo istotne jest, że robią to w sposób cichy, nie wytwarzając żadnych zanieczyszczeń i mogą pracować nieprzerwanie nawet przez kilkadziesiąt lat. Niestety tradycyjne ogniwa słoneczne to sztywne i delikatne pytki krzemowe, które dla bezpieczeństwa muszą być zamykane w duże, sztywne i dosyć ciężkie moduły przykryte szybą i spojone metalową ramą. Ogniwa cienkowarstwowe to przyrządy nowej generacji, które, choć na ogół nieco mniej sprawne, mogą pracować w postaci modułu elastycznego, pokrytego folią polimerową. Jest on dodatkowo dużo lżejszy i może być nakładany na niemal dowolne powierzchnie. W ten sposób można również wykonywać przenośne moduły składane lub rolowane, czy też np. moduły w postaci rolet okiennych, pokryć karoserii samochodowych, czy wkomponowane w ubrania, namioty, torby oraz wiele innych wyrobów.
Na czym polega innowacyjność zaproponowanego przez Państwa rozwiązania?
Nasze rozwiązanie polega na wykonaniu cienkowarstwowych ogniw fotowoltaicznych (PV), z wykorzystaniem stabilnych związków półprzewodnikowych, na podłożach elastycznych. Pomimo, iż technologie cienkowarstwowe wytwarzania ogniw fotowoltaicznych są stosowane w strukturach na podłożach sztywnych, ich bezpośrednie wykorzystanie w zastosowaniach elastycznych nie jest oczywiste. Adaptacja tych technologii do zastosowań w strukturach elastycznych stanowi złożony problem wynikający zarówno z ograniczeń w zakresie materiałowym, jak i technologicznym. W ramach projektu przeprowadzono badania ukierunkowane na adaptację rozwiązań stosowanych w ogniwach standardowych na podłożach sztywnych, do realizacji lekkich i elastycznych konstrukcji ogniw fotowoltaicznych. Badania te przeprowadzono z wykorzystaniem cienkich warstw aktywnych związków półprzewodnikowych CdTe i CdS, jako struktur o wysokim potencjale aplikacyjnym.
Na podstawie eksperymentów przeprowadzonych w toku dotychczasowej realizacji projektu potwierdzono możliwość adaptacji procesów technologicznych, wytwarzania warstw aktywnych oraz kontaktów bazowych i emiterowych struktury ogniw fotowoltaicznych CdS/CdTe do potrzeb ich wykorzystania w rozwiązaniach elastycznych tych ogniw.
Fot_1. Plecak z wszytymi elastycznymi ogniwami fotowoltaicznymi wspomagającymi zasilanie urządzeń mobilnych. Projekt inżynierski zrealizowany w Katedrze Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych przez dyplomantkę Joannę Giesko pod opieką Macieja Sibińskiego i Katarzyny Znajdek.
Na jakim etapie jest projekt?
Jest on realizowany przez członków Zespołu Fotowoltaiki Katedry Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych Politechniki Łódzkiej, dr inż. Katarzynę Znajdek i dr. hab. inż. Macieja Sibińskiego, pod opieką naukową prof. dr hab. Zbigniewa Lisika. Projekt jest na etapie ciągłego rozwoju. Dotychczas wykonane zostały elastyczne ogniwa fotowoltaiczne na bazie związków półprzewodnikowych CdS/CdTe na podłożach takich jak folie polimerowe oraz folie metalowe. Aktualnie trwają prace mające na celu wytworzenie tego typu ogniw bezpośrednio na tkaninach, w celu jeszcze lepszej integracji struktury fotowoltaicznej z elementem użytkowym. Uzyskanie tkaniny o stabilnych właściwościach fotowoltaicznych, niezmiennych pod wpływem naprężeń mechanicznych, jest celem kolejnego etapu badań.
Przemysł obronny, tekstylny, motoryzacyjny to tylko niektóre obszary zastosowań elastycznych ogniw fotowoltaicznych. Jakie rozwiązania one zastąpią i jakie korzyści to przyniesie?
Fotowoltaika to energia dla każdego, dostępna niemal wszędzie gdzie dociera słońce. Wykorzystanie jej niesie cały szereg korzyści, ponieważ daje dostęp do tak potrzebnej dzisiaj energii elektrycznej w sposób bezpieczny dla środowiska, skalowalny do potrzeb, stabilny i darmowy. Jeśli jeszcze weźmiemy pod uwagę, że instalacje fotowoltaiczne mogą być dołączone do sieci energetycznej, tworząc tak zwaną sieć generacji rozproszonej, to zauważymy jak wiele korzyści niesie ich praktyczne wykorzystanie.
Potencjalne zastosowania fotowoltaiki to wszystkie instalacje i urządzenia wymagające zasilania, a oddalone od sieci energetycznej. Są to zarówno inteligentne znaki drogowe, stacje pomiarowe wód, stacje meteorologiczne czy przekaźniki telefonii komórkowej. Wykorzystać je można także instalując np. pompy wody na pustyni czy latarnie morskie i boje sygnalizacyjne. Oczywiście zastosowania fotowoltaiki mogą też znaleźć się bliżej przeciętnego użytkownika w postaci ładowarki dla jego przenośnego sprzętu elektronicznego, zasilanej z modułu wszytego w ubranie. Wykorzystać je będzie można do wkomponowanego w konstrukcję garażu zasilania dla elektrycznego samochodu. Fotowoltaika to także produkcja energii na masową skalę w wielomegawatowych elektrowniach fotowoltaicznych czy na dachach gospodarstw domowych. Tak naprawdę nowe zastosowania dla tych modułów są ciągle poszerzane.
Warto być naukowcem, ponieważ...
Każdego dnia można spotkać się z wyzwaniem, którego nikt dotąd nie rozwiązał, a niekiedy nawet nie dostrzegł. Jest to praca wymagająca, ale bardzo twórcza. Możliwość obserwowania rozwoju własnych pomysłów stających się rzeczywistością i ciągle udoskonalanych stwarza wielką satysfakcję. Pracując jako naukowiec, ma się również szanse na podróże i nawiązywanie kontaktów z wielką międzynarodową społecznością wpływającą na osobisty rozwój. Współczesna nauka jest także coraz bardziej interdyscyplinarna, co stwarza możliwość zdobycia kompetencji w nowych, zupełnie dotąd nieznanych dziedzinach.
Warto być naukowcem, ponieważ niezwykle fajnie jest odkrywać nowe rzeczy. My wierzymy, że mamy jeszcze wiele do odkrycia.
Fot_2. Zdjęcie prototypu elastycznych ogniw fotowoltaicznych wykonanych na bazie związków półprzewodnikowych CdS/CdTe na podłożu polimerowym.