Polimery wytwarzające energię elektryczną

-- wtorek, 01 kwiecień 2008

Opatentowane półprzewodnikowe polimery jednoczą się z konwencjonalnymi technologiami, aby przyspieszyć rozwój wykorzystania energii słonecznej

Elastyczne ogniwa fotowoltaiczne znacznie zmniejszą koszty uzyskiwania energii słonecznej

Na pewno nie jest łatwo być zielonym. Ameryka - po dwóch znaczących podwyżkach cen - uruchomiła w latach siedemdziesiątych XX wieku ambitne programy zmniejszania zależności od ropy naftowej. Jednakże, za każdym razem, wielka kampania na rzecz ekonomicznych samochodów i alternatywnych źródeł energii szybko straciła impet po spadku cen tego paliwa.

Zmieniające się tendencje mają bezpośredni wpływ na rozwój technologii wykorzystujących energię słoneczną, której udział w światowej produkcji energii ciągle wynosi poniżej 1 %, głównie z powodu jej kosztów, które są siedem lub osiem razy większe od kosztów energii produkowanej w elektrowniach konwencjonalnych (używających węgiel). Obecnie zauważa się ponowny wzrost zainteresowania energią słoneczną w różnych stanach USA, którym przewodzi Kalifornia. Energia ta stała się nawet nowym ulubieńcem kapitałów lokowanych w ryzykowne przedsięwzięcia oraz głównych firm produkujących polimery, takich jak DuPont i Bayer MaterialScience zauważających w tej dziedzinie znaczne możliwości.

Drugim bardzo ważnym czynnikiem, mającym kolosalny wpływ na wykorzystanie i rozwój energii słonecznej, jest obecnie armia U.S.A. dążąca do zwiększenia mobilności żołnierzy. Plecak noszony przez żołnierza waży około 45 kG, łącznie z bateriami do zasilania przez trzy dni różnego sprzętu ważącego 9 kG. Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony (DARPA) przyznała niedawno 12,2 miliona USD konsorcjum ogniw słonecznych o bardzo dużej wydajności, w skład którego wchodzą DuPont i Uniwersytet Delaware. DARPA żąda od naukowców opracowania ładowarek zasilanych energią słoneczną, które mogłyby być wbudowane w sprzęt używany na polu walki, taki jak: radiostacje, systemy nawigacji GPS i noktowizory.

DuPont opracowuje materiały do odprowadzania elektryczności wytworzonej przez ogniwa słoneczne oraz do zamknięcia modułów ogniwa w nie podlegające wpływom środowiska panele, odporne na działanie wilgoci, promieniowania UV i wstrząsów. Jednym z wkładów firmy DuPont w tym zadaniu jest materiał zwany Solamet, który stanowi system przewodzących metalizowanych materiałów w formie cienkiej folii. Celem jego jest zwiększenie sprawności ogniwa. Uniwersytet Delaware ogłosił niedawno, że nowa technologia zapewnia sprawność na poziomie 42,8%, w stosunku do poprzedniej wartości sprawności wynoszącej 40,7%. DARPA wymaga jednak sprawności na poziomie minimum 50%.

Ogniwa słoneczne bazujące na półprzewodniku krzemowym, podobne do używanych przez konsorcjum Delaware, stanowią ponad 86% udziału w rynku ogniw słonecznych. I tu leży problem. Kłopoty z dostawami i rosnące ceny krzemu spowalniają handlowy rozwój produktu od 2004 r. Technologie następnej generacji używają cienkich folii wykonanych z takich materiałów jak amorficzny krzem, polikrystaliczny krzem, mikrokrystaliczny krzem, tellurek kadmu oraz miedziowo indowy selenek/siarczek. Materiały te na ogół zapewniają mniejszą sprawność niż krzem, lecz są dużo tańsze w produkcji.

 

Historia ogniw słonecznych:

 

1878:Francuski nauczyciel matematyki przedstawia na wystawie w Paryżu maszynę parową ogrzewaną energią słoneczną jako sposób na zmniejszenie zależności od angielskiego węgla. Wynalazek jego nie doczekał się realizacji z powodu spadku cen węgla. Ten sam problem obecnie dotyczy również ogniw słonecznych.

 

1956:Pierwsze praktyczne ogniwo słoneczne powstało w Bell Laboratories w New Jersey. W ciągu roku pojawił się, jako rozwojowy produkt, odbiornik radiowy zasilany energią słoneczną. „Już tego nie robimy - informuje Lawrence Kazmerski, dyrektor Krajowego Centrum Fotowoltaiki w Krajowym Laboratorium Energii Odnawialnej w Golden w stanie Colorado i dodaje - Musimy skrócić czas do pojawienia się produktu na rynku, który wynosi obecnie osiem lat. Musimy się sprężyć”.

 

1960:Firma Hoffman Electronics wyprodukowała ogniwo słoneczne o sprawności 14%.

 

1983:Całkowita moc zainstalowana w ogniwach słonecznych wynosi 21,3 MW.

 

2004:Opracowanie ogniw foto-elektrochemicznych.

 

2006:Uruchomiony zostaje program California Solar Initiative, przeznaczający 2,8 miliarda USD na rozwój ogniw słonecznych.

Polimery drukowalne

Jedna z obiecujących nowych technologii stosuje rodzaj półprzewodnikowych polimerów bazujących na regioregularnych poli (3-podstawionych) tiofenach, które silnie pochłaniają światło słoneczne i rozdzielają ładunki elektryczne, co jest podstawową zdolnością wymaganą od zespołu fotowoltaicznego. Rozwiązanie to jest obecnie badane przez firmę Plextronics z Pittsburgh, która otrzymała od agencji rządu USA ds. Inicjatyw Energetycznych dotację w wysokości 3 milionów USD przeznaczoną na opracowanie fotowoltaicznej cienkowarstwowej organicznej technologii dla federalnej agencji Solar America Initiative. Firma Plextronics przedstawia się sama jako światowy lider w opracowywaniu technologii aktywnej warstwy dla drukowanych urządzeń elektronicznych, która może być wykorzystana do ogniw słonecznych zbudowanych na polimerach przewodzących, obwodów plastikowych lub organicznych wyświetlaczy elektroluminescencyjnych (OLED).

– Spodziewamy się, że pierwsze produkty stosujące urządzenia fotowoltaiczne na bazie materiałów organicznych pojawią się na rynku w 2008 r. twierdzi James Dietz, wice-prezes ds. rozwoju w firmie Plextronics, i dodaje - Główne problemy związane są ze skalowaniem sprawności ogniwa i modułu, optymalizacją głównych procesów produkcyjnych i zapewnieniem odpowiedniej żywotności modułów do pierwszych aplikacji.

Plextronics nie ujawnia zbyt dużo informacji na temat konstrukcji bloków składowych, co potwierdza w imieniu tej firmuy Diertz: Nie zamierzamy rozpowszechniać naszych sposobów wytwarzania.

Materiał Plexcore PV jest opatentowanym systemem pokrywania, który obejmuje półprzewodniki polimerowe typu n+ i p+, zastrzeżone przez Plextronics. Sam Plexcore PV jest półprzewodnikiem typu p. Po zmieszaniu z materiałami, które przewodzą ujemne ładunki (jak np. fulereny węglowe, dwutlenek tytanu lub selenek kadmu), można uzyskać kompletne ogniwo słoneczne.

Firma ta współpracuje z uniwersytetem w Denver i stanowym uniwersytetem Arizona, w celu zwiększenia sprawności ogniw, poprzez zwiększenie absorpcji spektralnej i większe jej dopasowanie do wyższej części strumienia spektrum światła słonecznego.

Zadaniem firmy Plextronics jest obniżenie kosztów do poziomu, który firma uważa jako komercyjnie opłacalny, czyli 1 USD za wat mocy. Technologie drukowane mogą służyć do produkcji elastycznych ogniw, co znacznie rozszerzy ich zakres zastosowań. Na przykład, elastyczne panele mogą być zainstalowane na namiotach, polimery generujące energię mogą być wbudowane w pokrycia dachowe lub zastosowane jako powłoki na szyby. Głównym naukowcem w Plextronics jest Richard D. McCullough, dziekan Kolegium Naukowego na uniwersytecie Carnegie Mellon i czołowy ekspert w zakresie syntezy regioregularnych politiofenów.

Przy realizacji tego zadania rządowego firma Plextronics współpracuje jedynie z Bayer MaterialScience w Pittsburgh, której menedżer projektu dla przyszłościowego biznesu w Bayer MaterialScience w Pittsburgh Kewin Elsken prognozuje: Produkcja elastycznych materiałów charakteryzuje się możliwością obniżania kosztów dodając W dłuższym okresie czasu elastyczne ogniwa zastąpią konwencjonalne ogniwa na bazie krzemu. Może w ciągu 10 lat, na pewno w ciągu 20 lat.

Wykorzystanie formowania wtryskowego

Firma Bayer opatentowała proces produkcji paneli słonecznych z przednią stroną wykonaną z przezroczystego termoplastycznego poliuretanu zamiast szkła, które przy grubości 3 do 4 mm zapewnia współczynnik przepuszczania w zakresie spektralnym od 90 do 92%. Spoiwem typowo używanym do konstrukcji jest kopolimer etylenu z octanem winylu (EVA), który jest roztapiany w temperaturze 150o C podczas procesu laminowania próżniowego. Materiał ten wpływa w zczeliny między przylutowane ogniwa słoneczne i ulega termicznemu usieciowaniu.

Powstała próżnia jest niezbędna, aby nie dopuścić do formowania się pęcherzyków powietrza. Tylna strona panelu jest często pokrywana cienką warstwą folii (polifluorek winylu – politereftalan etylenu) w celu zapewnienia ochrony przed oddziaływaniem środowiska i wpływami mechanicznymi. Materiały muszą tak zabezpieczać ogniwa, aby zapewnić ich czas eksploatacji od 20 do 30 lat. Materiały modułu stanowią około 30% całego kosztu panelu oraz są przyczyną wydłużenia czasu produkcji. Ręczny montaż plus proces laminowania próżniowego powodują, że czas cyklu produkcyjnego wynosi około 30 minut.

Podstawowym celem wynalazku firmy Bayer jest skrócenie czasu produkcji. Kluczowym materiałem jest przezroczysty poliuretan, który przy grubości 1 mm zapewnia współczynnik przepuszczania > 85% w zakresie długości fal od 400 do 1150 nm. Przezroczyste poliuretany produkuje się z alifatycznych poliizocyjanianów. Dodanie miedzi jako składnika zwiększa przewodność cieplną materiału, co z kolei wpływa na zwiększenie sprawności ogniwa.

W systemach cienkowarstwowych, jak ten zaproponowany przez firmę Plextronics, przewodzący materiał polimerowy jest nadrukowywany na podłoża, i w ten sposób całkowicie wbudowany w przezroczysty poliuretan. Moduły mogą być produkowane w procesie formowania wtryskowego z reakcją chemiczną, z częścią optycznie aktywną skierowaną do gniazda formy. Następnie do gniazda wtryskuje się pod dużym ciśnieniem reagujący uretan, który hermetyzuje ogniwo słoneczne.

Firma Bayer przebadała wiele wariantów procesu i technologii materiałów. W innym rozwiązaniu materiały aktywne są nakładane na poliimidową folię. Przednia część struktury składa się z termoplastycznego uretanu i cienkich warstw polimeru fluorowego, które nakładane są w technologii elastycznych obwodów.

W pewnym systemie, testowanym na jednoosobowym kajaku płynącym przez ocean, energia elektryczna produkowana była przez krzemowe ogniwa słoneczne, zahermetyzowane cienką warstwą termoplastycznego poliuretanu wyprodukowanego przez firmę Etimex Primary Packaging w Dietenheim w Niemczech. Panele słoneczne wyprodukowała firma SunWare Solartechnik. Jak twierdzi dr Gunther Stollwerck, ekspert w zakresie hermetyzacji modułów słonecznych tworzywami sztucznymi w Bayer MaterialScience, czasy cykli produkcji zostały zredukowane do 10 i 20 minut.

Wiele firm rozwija alternatywne rozwiązania w zakresie ogniw słonecznych. Na przykład, firma NanoSolar z Palo Alto w Kalifornii zebrała 100 milionów USD kapitałów lokowanych w ryzykowne przedsięwzięcia w celu opracowania procesu nadrukowywania ogniw słonecznych na folii w rolce za pomocą pasty wypełnionej nano cząsteczkami miedziowo indowego seleneku galu. Podobnie jak w przypadku firmy Plextronic, skład pasty jest tajemnicą. Pewna firma o nazwie Luz II wybudowała kilka komercyjnych elektrowni stosujących technologię wykorzystującą parabole do ogniskowania promieni słonecznych na orurowaniu, przez które przepływa syntetyczny olej.

Wiele rzeczy wydaje się prawdopodobnych, możliwych w dziedzinie ogniw słonecznych. Będą stosowane różne technologie, aby rozwiązać różne problemy. Wspomaganie różnych technologii będzie się zmieniać w szerokim zakresie. Niemcy na przykład znacznie przyspieszyły rozwój technologii słonecznej, chociaż świecące słońce jest rzadkością w pobliżu Bałtyku. Koszt ogniw fotowoltaicznych obniży się. Lecz jaka będzie konkurencyjność energii słonecznej w stosunku do węglowodorów? Obecnie trudno w to uwierzyć, jak niewielki postęp osiągnięto od lat siedemdziesiątych XX w.

DN

 

Autor: Tekst: Redakcja