Przewodzące tworzywa sztuczne można nadrukowywać na tworzywie elastycznym, by można było wytwarzać prąd z energii słonecznej.
Siła Kwiatów była paliwem lat sześćdziesiątych. Teraz przygotujcie się na Siłę Plastiku!
Technologie słoneczne trzeciej generacji wykorzystują zaawansowane technicznie materiały, w tym przewodzący plastik, celem uzyskania akceptowalnych poziomów wydajności i możliwości projektowych, których nie można osiągnąć, stosując krzem.
Dwa z podstawowych programów w rządowej Inicjatywie Słonecznej Ameryki (Solar America Initiative – SAI) biorą na cel technologie służące do produkcji zintegrowanych z budynkiem, organicznych fotoogniw. Jednym z programów kieruje Konarka z Lowell w stanie Massachusetts, a drugim Dow Chemical z Midland, Michigan. Celem SAI jest stworzenie do roku 2015 sieci dostarczającej prąd za mniej niż 10 centów za kilowatogodzinę. Prąd z sieci kosztuje teraz około 8 centów za kilowatogodzinę, a moc generowana przez obecnie dostępną technologię słoneczną kosztuje trzy razy tyle.
Jednym z nowatorskich, ale kosztownych produktów wykorzystujących technologię Konarki jest parasol słoneczny wyposażony w elastyczne panele słoneczne, dostarczające lokalnie prąd dla laptopów, telefonów komórkowych lub innych zastosowań konsumenckich. Już stosuje się je na zewnętrznych tarasach kawiarń w dobrze nasłonecznionych miejscach i w pobliżu basenów.
Te wczesne modele kosztują 10 000 dolarów – twierdzi Joe McKenna, wiceprezes wykonawczy firmy SkyShades z Longwood w stanie Floryda. Mam nadzieję, że gdy wzrośnie wielkość produkcji, uda mi się obniżyć cenę do 7500-8000 dolarów. Pierwsze egzemplarze są zawsze trochę droższe. Same parasole kosztują 5200 dolarów, jako że jest to konstrukcja i trzeba ją przymocować do odpowiedniej podstawy.
Elektryczność w elastycznych panelach słonecznych pochodzi z Power Plastic, opatentowanego i okrytego tajemnicą materiału. Przegląd patentów Konarki ukazuje, że znaczna część jej pracy skoncentrowała się na polimerach sprzężonych, które zachowują się jak metalowe przewodniki i półprzewodniki. Polimery zawierają przynajmniej następujące związki: politiofeny, polialkilotiofen, PDHTT, politienylenowinyleny i pochodne polifluorenu.
Fotoogniwa wytwarza się, wykorzystując techniki ciągłej produkcji z roli, w których system polimerowy w drzewkopodobnej formie nakłada się na substrat, a następnie nanosi się w procesie druku z roli na rolę. Substratem jest dowolne tworzywo sztuczne, które można metalizować w procesie ciągłym.
Jednym z preferowanych materiałów jest poliester. Inni kandydaci to poliwęglan, akryl i polistyren. Wydajność można poprawić, stosując powłokę, która będzie zapobiegać odbijaniu pewnych typów światła. Niektórzy producenci w jeszcze większym stopniu poprawiają charakterystyki użytkowe poprzez dodawanie materiałów przewodzących. Fotoogniwa można także nakładać, stosując inne systemy drukarskie.
Sekret innowacji Konarki leży w stosowanych materiałach, procesach produkcyjnych i współczynniku kształtu tworzywa aktywowanego promieniami światła – twierdzi Dan Williams, wiceprezes ds. rozwoju działalności w firmie Konarka. Przenieśliśmy sprawdzoną wiedzę techniczną z dziedziny nakładania powłok i druku z branży chemicznej, fotograficznej i elektroniki elastycznej do branży energetycznej energii za pośrednictwem nowej klasy materiałów nanostrukturalnych.
Aktualna zademonstrowana sprawność systemu wynosi 6 procent – to wynik dobry, ale niewystarczający. Typowe systemy słoneczne wykorzystujące krzem mają sprawność wynoszącą około 15 procent. Konarka prognozuje, że sprawność jej produktu pozwoli uzyskiwać prąd po cenie poniżej 10 centów za kilowatogodzinę, dzięki czemu materiał ten będzie się idealnie nadawać do powszechnego użytku jako fotoogniwo stanowiące element budynku.
Inżynierowie mogą teraz wbudowywać fotoogniwa w elementy konstrukcyjne, takie jak podzespoły.
Kolejnym ważnym graczem na tej arenie technologicznej jest Plextronics, mieszcząca się w Pittsburgh firma, która oddzieliła się od Carnegie Mellon University i w styczniu otworzyła swoją pierwszą linię produkcyjno-rozwojową.
Ten małoskalowy zakład produkcyjny będzie drukować słoneczne moduły demonstracyjne za pomocą drukarskich farb słonecznych wykonanych z przewodzących polimerów, takich jak te, które stosuje Konarka. Modułowa budowa linii pozwoli także firmie testować nowe technologie, które zwiększą do maksimum charakterystyki tych farb.
Linia ta koncentruje się na stymulowaniu szerokorynkowej komercjalizacji naszych nowatorskich systemów farb – stwierdza Andy Hannah, prezes i dyrektor generalny Plextronics. Czasami, zwłaszcza na powstających rynkach, takich jak elektronika drukowana, firma musi chcieć zrobić pierwszy krok, by zademonstrować rynkowi, co można zdziałać za pomocą nowej technologii.
Plextronics wykorzystuje technologię polimerów przewodzących opracowaną przez doktora Richarda McCullougha z Carnegie Mellon University.
Rola Dow Chemical
Innym ważnym graczem jest Dow Chemical, która otrzymuje 20 milionów dolarów w ramach programu Solar America Initiative Pathways, prowadzonego przez amerykański Departament Energii.
Konwencjonalne technologie drukarskie można wykorzystywać do produkcji aktywowanych światłem słonecznym obwodów elektrycznych.
Dow wykorzystuje swoją wiedzę na temat enkapsulacji i poszycia dachów do opracowywania gontów mieszczących fotoogniwa. Pod koniec zeszłego roku Dow zainstalował 1350-tonową tandemową wtryskarkę kolankową w swoim zakładzie produkcyjnym w Midland w stanie Michigan, by opracować technologię, która pozwoli wbudowywać elastyczne panele słoneczne w plastikowe poszycie dachów.
Stosowane obecnie, wykorzystujące krzem ogniwa słoneczne są umieszczane na dachach w ciężkich, szklanych panelach. Są drogie, trudne do instalacji i produkują energię elektryczną, która jest znacznie droższa od prądu dostarczanego przez sieć.
Nowatorska technologia Dow bazuje na o wiele bardziej efektywnym kosztowo materiale zwanym CIGS, a ogniwa te są ‘opakowane’ w poszycie, tworząc ‘gont słoneczny’ – stwierdza Bob Cleereman, starszy dyrektor ds. technicznych zajmujący się w Dow technologią fotoogniw zintegrowanych z budynkiem.
CIGS, który składa się z miedzi, indu, galu i selenu, wykorzystywany jest jako materiał absorbujący światło do cienkowarstwowych ogniw słonecznych. Ponad dwadzieścia firm wykorzystuje technologię CIGS, a niektóre z nich usiłują osiągnąć użyteczne poziomy wydajności.
Pierwszym partnerem Dow w projekcie SAI była mieszcząca się w Kalifornii Miasloe, która w pewnym momencie była liderem w rozwoju CIGS. Jednak firma ta nie zrealizowała najważniejszych celów i w zeszłym roku w projekcie SAI zastąpiła ją Global Solar Energy, która otwarła w owym czasie fabrykę CIGS w Arizonie. W tym roku firma spodziewa się wyprodukować w tym zakładzie 20 MW filmu.
Współpracujemy z Global Solar Energy, ponieważ spośród wszystkich firm, jakie udało się nam znaleźć, była ona jedyną firmą będącą w stanie dostarczać wystarczająco dobry, elastyczny materiał CIGS, który zaspokaja nasze potrzeby i wymagania SAI – twierdzi Cleereman z Dow. Miedź, ind, gal i selen okazały się najwydajniejszą i najbardziej efektywną kosztowo technologią cienkowarstwową do produkcji fotoogniw zintegrowanych z budynkiem.
Global Solar to jedyna firma zajmująca się pełnoskalową produkcją ogniw CIGS na substratach elastycznych i osiągnęła rekordową średnią sprawności ogniw słonecznych wynoszącą 10 procent, co było wymaganiem programu SAI. Celem SAI jest sprawienie, by elektryczność uzyskiwana z ogniw słonecznych stała się efektywna kosztowo w stosunku do elektryczności z sieci w przeciągu sześciu lat.
Dow nie chce zdradzić szczegółów dotyczących swojej technologii, ale gigantyczna maszyna do formowania wtryskowego stanowi solidną wskazówkę. Dow może próbować umieścić panele słoneczne w konstrukcji z tworzywa sztucznego w taki sam sposób, w jaki nalepka jest umieszczana w tablicy rozdzielczej wewnątrz matrycy. Byłoby ciekawe, gdyby materiał fotoogniwa dało się podawać do maszyny w sposób ciągły, z beli. Umożliwiłoby to uzyskanie wysokiego współczynnika ekonomiki produkcji.
Projekt Konarki jest bardzo interesujący jako pionierska technologia, ale projekt Dow ma szansę w poważny sposób zmienić w nie tak odległej przyszłości zasady gry.
