Podobnie jak tradycyjna krzemowa technologia słoneczna, OSC zamieniają energię słoneczną w użyteczną energię elektryczną. Są jednak znacznie bardziej wszechstronne niż konwencjonalna fotowoltaika słoneczna. OSC są lekkie i elastyczne i mogą być półprzezroczyste lub w różnych kolorach. Te cechy dają im potencjalne zastosowania w tekstylnych, samochodowych i zintegrowanych z budynkami ogniwach słonecznych oraz do wytwarzania energii w obszarach, w których nie istnieje.

Unikalne aplikacje

Chociaż do wprowadzenia OSC na rynek komercyjny potrzebne są dodatkowe fundusze i badania, eksperci są zgodni, że będą one odgrywać ważną rolę w przyszłości technologii słonecznej. To powiedziawszy, nie zastąpią ani nie będą konkurować z krzemowymi ogniwami słonecznymi. „Nie powinniśmy oczekiwać, że zobaczymy ekspansywne pola OSC, takie jak te, które generują gigawaty mocy w krzemowych farmach słonecznych”, mówi Seth Marder, profesor chemii w Georgia Tech. Krzemowa energia słoneczna jest odpowiednia do dostarczania energii słonecznej na dużą skalę, podczas gdy systemy OSC mają inne unikalne zalety, które kierują jej rzeczywistymi zastosowaniami. 

Dwie unikalne cechy OSC to ich cieńkość i elastyczność. Podczas gdy grubość typowego krzemowego ogniwa słonecznego jest równa grubości ludzkiego włosa, większość ogniw OSC jest około tysiąc razy cieńsza. Ze względu na swoją cienkość i elastyczność OSC można wytwarzać na zakrzywionych powierzchniach i elastycznych podłożach. Na przykład można je załatać lub zintegrować z tkaniną namiotów, plecaków, a nawet odzieży. Większość z tych produktów jest wciąż w fazie rozwoju i zajmuje niszowy rynek, ale wykazują one innowacyjną kreatywność, jaką zapewniają OSC. Dzięki technologii OSC możliwości zastosowania ogniw słonecznych zostały znacznie rozszerzone poza dachy i farmy słoneczne.

OSC mogą być również przezroczyste, półprzezroczyste lub w różnych kolorach. W rezultacie istnieje wiele potencjalnych zastosowań architektonicznych. Na przykład przezroczyste OSC można zintegrować z oknami, aby generować energię ze światła słonecznego, które w przeciwnym razie mogłoby ogrzać pomieszczenie i przyczynić się do wyższych kosztów klimatyzacji. Franky So, profesor materiałoznawstwa i inżynierii na Uniwersytecie Stanowym Karoliny Północnej, oferuje jeszcze inne zastosowanie: OSC mogą być używane w szyberdachach do zasilania pojazdów elektrycznych i hybrydowych.

Ponadto niskie inwestycje z góry i potencjalnie niskie koszty wysyłki produktów sprawiają, że technologia OSC jest dostępna dla społeczności w krajach rozwijających się, które nie mają dostępu do sieci elektrycznej i środków finansowych na jej budowę. OSC mają wyjątkową zdolność „przynoszenia mocy tam, gdzie nie ma mocy”, wyjaśnia Malika Jeffries-EL, profesor chemii na Uniwersytecie w Bostonie. W takich przypadkach technologia OSC może dostarczać niezbędnej energii elektrycznej w mniejszych ilościach potrzebnych do takich zadań, jak oświetlenie, ładowanie telefonów komórkowych oraz chłodzenie leków i szczepionek.

Inną zaletą OSC jest to, że ich produkcja jest mniej energochłonna niż krzemowe ogniwa słoneczne. Niezwykle gorące piece — powyżej 1,500 °C (2,700 °F) — są potrzebne do wytworzenia krzemu o wysokiej czystości do krzemowych ogniw słonecznych. Dla porównania, OSC na dużą skalę można wytwarzać po prostu drukując warstwy ogniwa na nośniku w procesie podobnym do drukowania gazet. Ponieważ proces ten zużywa mniej energii, OSC mają znacznie krótszy czas zwrotu energii niż ogniwa krzemowe. Innymi słowy, OSC wymagają krótszego czasu, aby wytworzyć ilość energii potrzebnej do ich wyprodukowania.

Jak to działa

Pierwsze organiczne ogniwo słoneczne zostało opracowane w 1958 roku, ale dopiero w 2000 roku OSC odnotowały znaczny wzrost wydajności. Ta ulepszona technologia OSC wyłoniła się z dziedziny organicznych diod elektroluminescencyjnych, powszechnie znanych jako OLED. Technologia OLED jest obecnie stosowana w wielu ekranach telewizorów i telefonów dostępnych na rynku. Na ekranie OLED warstwa cząsteczek organicznych (cząsteczek składających się głównie z atomów węgla i wodoru) emituje światło po przyłożeniu prądu elektrycznego. OSC działają zasadniczo w odwrotny sposób — warstwa cząsteczek organicznych pod wpływem światła generuje prąd elektryczny.

Organiczne ogniwo słoneczne składa się z wielu warstw materiałów, z których jedną jest warstwa akceptorowa. Kiedy światło słoneczne pada na komórkę, elektron jest uwalniany z warstwy cząsteczek organicznych, a zadaniem akceptora jest przekazanie tego elektronu na elektrodę. Proces ten powoduje gromadzenie się ładunku, który generuje energię elektryczną.

Tradycyjnie najczęściej stosowanymi akceptorami w OSC były materiały oparte na fulerenie — cząsteczce składającej się z 60 atomów węgla połączonych ze sobą w strukturę przypominającą piłkę nożną. Jednak w przypadku akceptorów fulerenów skuteczność OSC była ograniczona do około 10%. Innymi słowy, tylko 10% światła słonecznego padającego na ogniwo słoneczne zostało przekształcone w energię elektryczną. Dlatego naukowcy postanowili zbadać nowe typy warstw akceptorowych jako sposób na zwiększenie wydajności OSC.

Przełomem, który pozwolił OSC osiągnąć wyższą wydajność, było opracowanie akceptorów niefulerenowych (NFA). Dzięki NFA wydajność OSC gwałtownie wzrosła — do 18 proc w ciągu zaledwie kilku lat. To doprowadziło OSC do niższego końca 18% do 22% wydajności przeciętnego dostępnego na rynku krzemowego ogniwa słonecznego. Ten wzrost wydajności przekroczył oczekiwania wielu ekspertów, z których niektórzy rozpoczęli pracę w terenie, gdy wydajność OSC oscylowała wokół zaledwie 3%. „Gdyby 10 lat temu powiedziałeś mi, że będziemy mieć organiczne ogniwa słoneczne o wydajności 18%, śmiałbym się” – mówi Marder.  

Bariery do pokonania

Jest jeszcze wiele do zrobienia, zanim OSC będą mogły być szeroko wprowadzane na rynek. Jednym z największych wyzwań są rozpuszczalniki stosowane w procesie produkcyjnym. Większość najskuteczniejszych OSC jest wytwarzana przy użyciu rozpuszczalników chlorowanych, które stanowią zagrożenie zarówno dla zdrowia, jak i środowiska. „Podczas zwiększania produkcji OSC należy wziąć pod uwagę narażenie ludzi, którzy będą pracować w zakładach produkcyjnych”, mówi Bernard Kippelen, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej w Georgia Tech. Dotychczasowe badania koncentrowały się w dużej mierze na uzyskiwaniu coraz wyższych wydajności, ale jak mówi Kippelen, „potrzebujemy podejścia, które wykracza daleko poza tylko jedną liczbę”. Aby OSC stały się opłacalną technologią, proces produkcyjny musi zostać zoptymalizowany, aby był bezpieczniejszy i bardziej opłacalny.

Inną barierą dla masowej produkcji OSC jest różnica między wydajnościami poszczególnych ogniw testowanych w idealnych warunkach laboratoryjnych a wydajnościami, które wykazano dla większych modułów. Poszczególne ogniwa mogą mieć wysoką wydajność, ale złożenie wielu ogniw w moduły, panele lub tablice wymaga dodatkowych połączeń elektrycznych, które zmniejszą wydajność. Jednak, jak wskazuje Kippelen, tego rodzaju dysproporcje są oczekiwane. „Potrzeba trochę czasu, zanim wzrost wydajności ogniw zostanie odzwierciedlony w wydajności modułów schodzących z linii produkcyjnych”, mówi. „To samo dotyczyło krzemowych ogniw słonecznych”.

Kolejnym problemem jest finansowanie badań OSC. W Stanach Zjednoczonych większość funduszy na badania nad ogniwami słonecznymi pochodzi od agencji rządowych, takich jak Departament Energii. Jednak według Kippelena „wiele źródeł finansowania wyschło, aby prowadzić badania nad OSC”, z powodu pojawienia się szybko rozwijającej się klasy ogniw słonecznych zwanych perowskity. „Wykorzystanie perowskitów wzbudziło wiele emocji, ponieważ w niektórych przypadkach ich wydajność jest nawet wyższa niż w przypadku krzemu” – mówi Kippelen. Jednak mimo że w USA zmniejszyło się finansowanie organizacji OSC, Chiny nadal stoją na czele badań i rozwoju OSC. „Ilość pracy [nad badaniami OSC] w Stanach Zjednoczonych stanowi niewielki ułamek ilości pracy w Chinach” – mówi Marder. „Ludzie w Chinach robią to pełną parą”. 

Powody optymizmu

Przyszłe światowe zużycie energii będzie nadal rosło, zwłaszcza że kraje rozwijające się dążą do takich samych korzyści z produkcji energii na żądanie, jakie cieszą się kraje rozwinięte. Naukowcy tacy jak Marder, Kippelen, Jeffries-EL i Tak twierdzą, że technologia OSC może odegrać wyjątkową i ważną rolę w globalnym przejściu na energię odnawialną. Niedawny wzrost wydajności OSC do 18% sprawił, że wielu badaczy pracuje nad udoskonaleniem tej technologii, a naukowcy badają teraz tandemowe OSC (które wykorzystują dwa różne materiały, które pochłaniają różne długości fal światła słonecznego), aby wychwytywać jeszcze więcej energii. Niektórzy mają nadzieję, że ten rozwój może jeszcze bardziej zwiększyć wydajność OSC — nawet o 20%.

Kippelen wzywa do długoterminowego spojrzenia na technologię OSC. „Technologia słoneczna będzie istnieć przez długi czas”, mówi, „i naprawdę wierzę, że OSC z czasem stanie się naprawdę ważną technologią”.

O autorze

 Kellie Stellmach jest studentką studiów doktoranckich. w chemii w Georgia Tech. Jej pasją jest opracowywanie nowych materiałów organicznych, aby sprostać wyzwaniom środowiskowym i zrównoważonego rozwoju. Jej obecne badania koncentrują się na syntezie niskotemperaturowych polimerów sufitowych o potencjalnych zastosowaniach jako materiały nadające się do recyklingu.

Powiązane książki

Awaria: najbardziej kompleksowy plan, jaki kiedykolwiek zaproponowano, aby odwrócić globalne ocieplenie

autorstwa Paula Hawkena i Toma Steyera
W obliczu powszechnego strachu i apatii międzynarodowa koalicja naukowców, profesjonalistów i naukowców połączyła się, aby zaoferować zestaw realistycznych i odważnych rozwiązań w zakresie zmian klimatu. Opisano tutaj sto technik i praktyk - niektóre są dobrze znane; niektóre, o których być może nigdy nie słyszałeś. Obejmują one od czystej energii po edukację dziewcząt w krajach o niższych dochodach po praktyki użytkowania gruntów, które wyciągają węgiel z powietrza. Rozwiązania istnieją, są ekonomicznie opłacalne, a społeczności na całym świecie obecnie wdrażają je z umiejętnościami i determinacją. Dostępne na Amazon

Projektowanie rozwiązań klimatycznych: Przewodnik polityczny dotyczący energii niskoemisyjnej

przez Hal Harvey, Robbie Orvis, Jeffrey Rissman
Ponieważ skutki zmiany klimatu już dotykają nas, potrzeba ograniczenia globalnych emisji gazów cieplarnianych jest pilna. To trudne wyzwanie, ale technologie i strategie pozwalające mu sprostać istnieją już dzisiaj. Niewielki zestaw polityk energetycznych, dobrze zaprojektowanych i wdrożonych, może skierować nas na ścieżkę do przyszłości niskoemisyjnej. Systemy energetyczne są duże i złożone, dlatego polityka energetyczna musi być ukierunkowana i opłacalna. Podejście uniwersalne po prostu nie spełni swojego zadania. Decydenci potrzebują jasnych, kompleksowych zasobów, które nakreślą polityki energetyczne, które będą miały największy wpływ na naszą przyszłość klimatyczną, oraz opisują, jak dobrze zaprojektować te polityki. Dostępne na Amazon

To zmienia wszystko: kapitalizm kontra klimat

autor: Naomi Klein
In To wszystko zmienia Naomi Klein twierdzi, że zmiany klimatu to nie tylko kolejna kwestia, którą należy starannie uporządkować między podatkami a opieką zdrowotną. Jest to alarm, który wzywa nas do naprawienia systemu gospodarczego, który już pod wieloma względami zawodzi. Klein skrupulatnie opowiada się za tym, jak ogromne zmniejszenie naszej emisji gazów cieplarnianych jest naszą najlepszą szansą na jednoczesne zmniejszenie rozbieżnych nierówności, ponowne wyobrażenie sobie naszych złamanych demokracji i odbudowę wypatroszonych lokalnych gospodarek. Obnaża ideologiczną desperację negacjonistów zmian klimatu, mesjanistyczne złudzenia niedoszłych geoinżynierów oraz tragiczny defetyzm zbyt wielu głównych inicjatyw ekologicznych. I dokładnie pokazuje, dlaczego rynek nie - i nie może - naprawić kryzysu klimatycznego, ale pogorszy sytuację, wprowadzając coraz bardziej ekstremalne i niszczące ekologicznie metody wydobycia, któremu towarzyszy szalony kapitalizm katastroficzny. Dostępne na Amazon

Od wydawcy:
Zakupy na Amazon iść na pokrycie kosztów przynoszą InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, i ClimateImpactNews.com bez kosztów i bez reklamodawców śledzących twoje nawyki przeglądania. Nawet jeśli klikniesz link, ale nie kupisz tych wybranych produktów, wszystko, co kupisz podczas tej samej wizyty w Amazon, płaci nam niewielką prowizję. Nie ponosisz żadnych dodatkowych kosztów, więc proszę przyczynić się do wysiłku. Możesz też skorzystaj z tego linku do korzystania z Amazon w dowolnym momencie, aby pomóc wesprzeć nasze wysiłki.

 

Artykuł pierwotnie pojawił się na Ensia