W ciągu pół roku na Ziemię dociera ilość energii słonecznej równoważna sumarycznej wartości energetycznej wszystkich złóż węgla, ropy, gazu i uranu. To olbrzymi potencjał. Współcześnie stosowane ogniwa słoneczne wykorzystują go jednak w stopniu znikomym. Wynalazek naukowców z MIT może to wkrótce zmienić.

W 2011 roku łączna moc zainstalowanych na świecie ogniw słonecznych zaspokajała zaledwie 0,5% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną. Problemem w szerszym wykorzystaniu rozwiązań opartych na przetwarzaniu energii słonecznej w prąd jest przede wszystkim niska wydajność ogniw fotowoltaicznych oraz ich wysoki koszt produkcji. Przekłada się to na ograniczoną przydatność elektrowni słonecznych oraz relatywnie wysoki koszt energii.

Średnia wydajność stosowanych dziś paneli – zależnie od jakości ich wykonania – zamyka się w przedziale od kilkunastu do około 30%. Popularne przydomowe mini-elektrownie słoneczne zwykle wyposażone są w ogniwa, których wydajność nie przekracza 15%. Inżynierowie i naukowcy z całego świata prześcigają się w tworzeniu coraz nowocześniejszych rozwiązań, ale osiągnięcia rzędu 60-70% nie opuszczają czterech ścian laboratoriów, a poza tym – technologia jest ekstremalnie droga.

Sytuacja może zmienić się diametralnie dzięki niedawnemu sukcesowi zespołu z Massachusetts Institute of Technology. Udało im się zbudować ogniwa o wydajności przekraczającej 95%. I chociaż i tak brzmi to imponująco, to – w porównaniu do tradycyjnej technologii słonecznej – trzeba tu mówić o sprawności wyższej nie o kilkadziesiąt, ale kilkaset procent! Dlaczego?

Popularne ogniwa słoneczne nie przechwytują światła o każdej długości fali. Ich niemal jednolita powierzchnia również nie sprzyja wyłapywaniu fotonów, a to przecież właśnie pod ich wpływem następuje przemieszczanie elektronów w elementach półprzewodnikowych, co w konsekwencji generuje energię elektryczną. Rozwiązaniem problemu okazały się metamateriały.

Metamateriały odkryte zostały stosunkowo niedawno, bo dopiero w 2001 roku. Ich zadziwiające właściwości kształtowania fal elektromagnetycznych mogą znaleźć najbardziej nieoczekiwane zastosowania. Jednym z najbardziej spektakularnych było stworzenie swego rodzaju „peleryny-niewidki”. W 2006 roku opisano zjawisko pseudo-niewidzialności polegające na takim załamaniu światła, by fale „opływały” obiekt, który ma zostać ukryty, a następnie powróciły na swoje wcześniejsze tory. Dzięki metamateriałom udało się już zrealizować działające na tej zasadzie parawany, które w sprzyjających warunkach dają złudzenie rzeczywistej niewidzialności.

Właściwości metamateriałów wykorzystali również naukowcy z MIT. Dzięki odpowiedniej strukturze udało się przechwycić niemal cały zakres światła widzialnego i niewidzialnego. Dodatkowo ukształtowanie powierzchni ogniw przypomina nieco obrys zębów piły. Kin Hung Fung z MIT tłumaczy, że w ten sposób „udało się ponad stukrotnie obniżyć prędkość światła wewnątrz ogniwa, w ten sposób czyniąc wyłapanie fotonów znacznie łatwiejszym”.

Jeśli więc połączyć te dwa zjawiska ze sobą – wyższą skuteczność w przechwytywaniu światła oraz szerszy zakres absorbowanych fale – to okazuje się, że rzeczywista wydajność nowych ogniw słonecznych w porównaniu do tradycyjnej technologii jest przynajmniej kilkakrotnie wyższa.

Ważne jest również to, że wykorzystane przez badaczy z Massachusetts Institute of Technology metamateriały są znacznie lżejsze, wytrzymalsze i tańsze od obecnie stosowanych rozwiązań. Co więcej – mogą być wytwarzane na liniach produkcyjnych już istniejących w fabrykach ogniw słonecznych!

Niestety – jak dotąd całe osiągnięcie jest jedynie symulacją komputerową. Naukowcy jednak już szykują się do praktycznego przetestowania swojego odkrycia w warunkach laboratoryjnych. Znając dotychczasowe osiągnięcia skupionych wokół amerykańskiej uczelni specjalistów – można przypuszczać, że już niebawem ogłoszone zostanie potwierdzenie teorii.

Jeśli tak się stanie, to w energetyce słonecznej może nastąpić prawdziwy przełom.

oprac. Adam Czajczyk
źródło, grafika: MIT News Release