Naukowcy pracują nad zwiększeniem efektywności pracy ogniw fotowoltaicznych

Zgodnie z przeprowadzonymi teoretycznymi badaniami wstępnymi, odpowiednio zaprojektowany metamateriał hiperboliczny może pełnić dla ogniwa fotowoltaicznego rolę filtra krawędziowego odbijającego promieniowanie podczerwone, które prowadzi do nagrzewania ogniwa i, w konsekwencji, do spadku jego sprawności energetycznej.

 – W naszym projekcie zarówno  dokonujemy pełnej symulacji parametrów elektrycznych  i optycznych, jak i weryfikujemy eksperymentalnie to założenie – mówi dr inż. Bartosz Fetliński, 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 – wyjaśnia dr Fetliński.

To właśnie te cechy metamateriałów hiperbolicznych skłoniły naukowców do zastosowania ich w panelach fotowoltaicznych w celu redukcji ich nagrzewania się, które to obniża sprawność ogniw i ogranicza efektywność uzyskiwania energii z promieniowania słonecznego.

– 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 – dodaje.

Czas próby

Weryfikacja eksperymentalna zamodelowanych struktur metamateriałowych jest realizowana przy współpracy z krajowymi ośrodkami badawczymi: 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 wykorzystywane w podobnym zastosowaniu, 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 metody – wyjaśnia.

Obecnie finalizowany jest zakup podłóż, które odgrywają kluczowe znaczenie dla realizacji projektu. Ich jakość wpływa na jednorodność wytwarzanych metamateriałów hiperbolicznych składających 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 modułów 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.

-

Projekt „Zastosowanie metamateriału hiperbolicznego na potrzeby zwiększenia uzysku energetycznego modułów fotowoltaicznych ” jest finansowany z grantu badawczego Centrum Badawczego POB Technologie fotoniczne programu Inicjatywa Doskonałości - Uczelnia Badawcza, który realizowany jest na Politechnice Warszawskiej.

Skład zespołu badawczego:
dr inż. Bartosz Fetliński; dr inż. Bartosz Janaszek; mgr inż. Marcin Kieliszczyk; dr hab. inż. Robert Mroczyński, profesor uczelni