Opublikowano: 15.03.2023 10:58
Nasi naukowcy chcą zwiększyć efektywność ogniw fotowoltaicznych
Tylko ze stosunkowo niewielkiej części promieniowania słonecznego padającego na ogniwa fotowoltaiczne produkowana jest energia. Reszta energii jest tracona, głównie w postaci ciepła. Naukowcy z Politechniki Warszawskiej pracują nad materiałem o ujemnym współczynniku załamania, który nie tylko zredukuje nagrzewanie się ogniwa, ale również pozwoli na zwiększenie efektywności uzyskiwania energii.
Rozwiązanie z PW można w łatwy sposób wdrożyć w dowolnych modułach PV – to jego ważna zaleta, fot. pixabay
Wstępne badania pokazały, że odpowiednio zaprojektowany metamateriał hiperboliczny może pełnić dla ogniwa fotowoltaicznego rolę filtra krawędziowego, które odbija promieniowanie podczerwone. A to ono prowadzi do nagrzewania ogniwa i, w konsekwencji, do spadku jego sprawności energetycznej.
– W naszym projekcie dokonujemy zarówno pełnej symulacji parametrów elektrycznych i optycznych, jak i weryfikujemy eksperymentalnie to założenie – mówi dr inż. Bartosz Fetliński z Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych, kierownik zespołu badawczego. – Tworzymy strukturę metamateriału hiperbolicznego złożonego z ultracienkich warstw, o grubości rzędu nanometrów. Tak stworzona struktura pozwoli m.in. na uzyskanie filtrów o bardzo ostrej krawędzi, bardzo dobrze filtrujących i mających możliwość uzyskania gwałtownego przejścia od transmisji do absorbcji lub odbicia.
To właśnie te cechy metamateriałów hiperbolicznych skłoniły naukowców do zastosowania ich w panelach fotowoltaicznych.
– Energie fotonów promieniowania podczerwonego są mniejsze niż fotonów światła widzialnego i nie są w ogóle wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej, ale za to są absorbowane przez różne elementy modułu fotowoltaicznego – wyjaśnia dr Fetliński. – Nie ma z tego zysku energetycznego, za to mamy podgrzanie modułu. Jeśli założymy na module fotowoltaicznym taki filtr z metamateriału, przepuszczalność fotonów z tego pożytecznego zakresu jest dobra, a pozostałych, które podgrzewają, możemy się pozbyć.
Czas próby
Weryfikacja eksperymentalna zamodelowanych struktur metamateriałowych jest realizowana przy współpracy z Instytutem Mikroelektroniki i Fotoniki Sieci Badawczej Łukasiewicz (IMiF) oraz Instytutem Fizyki Polskiej Akademii Nauk (IFPAN). Na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych PW prace zespołu badawczego wesprze prof. Robert Mroczyński, który za pomocą rozpylania magnetronowego jest wstanie wytworzyć część z warstw.
– Do tej pory metamateriały hiperboliczne nie były w taki sposób wykorzystywane, więc nasz projekt cechuje wysoka innowacyjność naukowa – mówi dr Fetliński. – W związku z tym w literaturze nie ma wiarygodnych charakterystyk tych materiałów, które mogłyby zostać użyte w naszym projekcie. Zdarza się tak, że właściwości są opisane w przypadku zastosowania jednej metody nakładania warstw, a nie ma już opisu przy zastosowaniu innej.
Obecnie finalizowany jest zakup podłóż, które mają dla projektu kluczowe znaczenie. Ich jakość wpływa bowiem na jednorodność wytwarzanych metamateriałów hiperbolicznych, które składają się z cienkich warstw, wrażliwych na właściwości podłoża.
– Zaproponowane przez nas rozwiązanie charakteryzuje się prostotą koncepcyjno-implementacyjną oraz można je zastosować w dowolnych, komercyjnie dostępnych modułach PV, co stanowi o jego istotnej przewadze konkurencyjnej w stosunku do dotychczas proponowanych rozwiązań, wymagających istotnych ingerencji w strukturę ogniwa czy modułu – mówi dr Fetliński.
Zespół badawczy tworzą: dr inż. Bartosz Fetliński, dr inż. Bartosz Janaszek, mgr inż. Marcin Kieliszczyk; dr hab. inż. Robert Mroczyński, prof. PW.
Projekt „Zastosowanie metamateriału hiperbolicznego na potrzeby zwiększenia uzysku energetycznego modułów fotowoltaicznych” jest finansowany w ramach realizowanego na Politechnice Warszawskiej programu „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza”. Pomysł otrzymał wsparcie w konkursie Centrum Badawczego POB Technologie fotoniczne.
Źródło: badawcza.pw.edu.pl
