Obierki po warzywach zwykle kończą w koszu. Zespół naukowców z Politechniki Łódzkiej chce dać im drugie życie i wykorzystać zawarty w bioodpadach węgiel do produkcji materiału, dzięki któremu prąd mogłyby wytwarzać nie tylko dachy, ale również okna i całe elewacje budynków. Opracowywane przez naukowców grafenowe kropki kwantowe mają pozwolić na tworzenie lekkich, elastycznych i częściowo przezroczystych ogniw fotowoltaicznych.
Przyzwyczailiśmy się, że panel fotowoltaiczny to duża, ciemna i sztywna powierzchnia zamontowana na dachu albo ustawiona na specjalnej konstrukcji. Naukowcy z Instytutu Inżynierii Materiałowej Politechniki Łódzkiej pracują nad rozwiązaniem, które może wyglądać zupełnie inaczej. Punktem wyjścia są grafenowe kropki kwantowe, czyli bardzo małe struktury zbudowane z węgla. Sam surowiec do ich wytwarzania nie musi być egzotyczny ani kosztowny. Węgiel znajduje się również w bioodpadach, które na co dzień po prostu wyrzucamy.
Wszystko wokół nas w dużej mierze zbudowane jest z węgla i bioodpady nie są tutaj wyjątkiem. My próbujemy wykorzystać materiał, który przestał być komuś potrzebny, przetworzyć go i otrzymać z niego grafenowe kropki kwantowe. Z nich możemy następnie budować elementy przydatne między innymi w fotowoltaice. W dużym uproszczeniu można więc powiedzieć, że próbujemy robić technologię energetyczną z odpadów – tłumaczy lider zespołu dr inż. Piotr Zawadzki.
Zamiast sztywnego panelu – okno i elewacja
Klasyczna fotowoltaika bazuje przede wszystkim na krzemie. Opracowywana w Łodzi technologia ma działać inaczej i pozwalać tworzyć znacznie lżejsze oraz bardziej elastyczne rozwiązania. To otwiera zupełnie nowe możliwości zastosowania.
Największą przewagą nie jest to, że chcemy po prostu zastąpić jeden panel drugim. Chodzi o to, żeby wykorzystać powierzchnie, których klasyczna fotowoltaika dzisiaj praktycznie nie wykorzystuje. Elastyczne ogniwa możemy integrować z elewacją, a dzięki ich przezroczystości również z przeszkleniami. Wtedy energię produkuje nie tylko dach, ale znacznie większa część budynku – wyjaśnia badacz.
W przypadku wysokiego biurowca czy przeszklonego wieżowca różnica może być zasadnicza. Dach ma ograniczoną powierzchnię, tymczasem elewacja ciągnie się przez wiele pięter. Nawet jeśli pojedynczy metr kwadratowy nowego ogniwa będzie mniej wydajny od klasycznego panelu, dostępna powierzchnia może częściowo lub całkowicie zrekompensować tę różnicę.
Ograniczona wydajność nie musi być wadą
Obecnie sprawność opracowywanych ogniw jest około 3–4 razy niższa niż w przypadku klasycznych paneli krzemowych. Inżynierowie cały czas pracują nad jej zwiększeniem.
Nie chcemy udawać, że już dzisiaj nasze ogniwo jest bardziej wydajne od krzemowego, bo tak nie jest. Ale jeśli zamiast samego dachu możemy wykorzystać także wszystkie okna i elewacje wysokiego budynku, całkowita ilość uzyskanej energii może wyglądać zupełnie inaczej. W fotowoltaice liczy się nie tylko sprawność materiału, ale także powierzchnia, którą możemy realnie zagospodarować – podkreśla lider zespołu badawczego.
W Łodzi badają też drugą ścieżkę zastosowania grafenowych kropek kwantowych: poprawę parametrów już istniejących paneli. Naukowcy nakładają na tradycyjne moduły specjalną powłokę zawierającą kropki kwantowe. Według dotychczasowych wyników może ona zwiększać ich wydajność szczególnie w gorszych warunkach pogodowych, co z polskiej perspektywy ma szczególne znaczenie.
W Polsce nie możemy zakładać, że każdego dnia będziemy mieli idealne nasłonecznienie. Dlatego interesuje nas również możliwość wykorzystania kropek kwantowych do poprawy pracy klasycznych paneli właśnie wtedy, gdy warunki są mniej korzystne. To daje drugą ścieżkę rozwoju technologii – nie tylko budowę nowych typów ogniw, ale też ulepszanie tych, które już znamy – dodaje dr inż. Piotr Zawadzki.
Fotowoltaika wytwarzana w wodzie
Istotny jest również sposób produkcji samego nanomateriału. Zespół z Politechniki Łódzkiej wykorzystuje wodę jako medium reakcyjne. To wyraźnie odróżnia opracowywany proces od części technologii stosowanych przy produkcji materiałów dla klasycznej fotowoltaiki, które wymagają większej liczby substancji chemicznych oraz energochłonnych etapów.
Od początku zależało nam na tym, żeby ekologiczny był nie tylko produkt końcowy, ale również droga do jego otrzymania. Jeśli chcemy mówić o technologii wspierającej transformację energetyczną, musimy patrzeć także na to, z czego ją produkujemy i jak wygląda sam proces. W naszym przypadku surowcem mogą być odpady, a medium reakcyjnym jest woda – wskazuje dr inż. Piotr Zawadzki.
Technologia łączy więc dwa podejścia: rozwój odnawialnych źródeł energii oraz gospodarkę o obiegu zamkniętym, w której odpad staje się surowcem do wytwarzania materiału o znacznie większej wartości.
A może kiedyś farba produkująca energię?
Lekkość i możliwość tworzenia cienkich warstw sprawiają, że badacze patrzą również na bardziej odległe zastosowania. Jednym z rozważanych kierunków jest nakładanie materiału w sposób przypominający farbę. To na razie perspektywa dalszych badań, a nie gotowy produkt, ale pokazuje możliwości technologii. Co ciekawe, grafenowe kropki kwantowe mają również właściwości antybakteryjne i antystatyczne. Dzięki temu ta sama powłoka mogłaby w przyszłości nie tylko uczestniczyć w wytwarzaniu energii, ale także ograniczać rozwój mikroorganizmów na powierzchni.
To jest właśnie fascynujące w nanomateriałach. Niewielka zmiana składu albo ilości dodatku może całkowicie zmienić właściwości materiału. Zaczynamy od fotowoltaiki, ale w czasie badań okazuje się, że ta sama technologia może otwierać drzwi do zupełnie innych zastosowań – zauważa naukowiec.
Jego zespół sprawdzał już kropki kwantowe między innymi jako dodatki do lakierów i farb proszkowych. W jednym z pilotażowych projektów firma produkująca metalowe meble pokryła elementy farbą zawierającą opracowany nanomateriał. Badania wykazały właściwości bakteriobójcze powłoki. Trwają także pierwsze eksperymenty w innych obszarach materiałowych.
Z laboratorium do okna pełnych rozmiarów
Najważniejszym zadaniem pozostaje jednak rozwój fotowoltaiki. W Łodzi dysponują już niewielkimi prototypami i demonstratorami pokazującymi, że rozwiązanie działa. Teraz trzeba wykonać kolejne badania dotyczące między innymi wydajności oraz starzenia się materiału, a także przejść z małych powierzchni do elementów odpowiadających rozmiarem realnym przeszkleniom budynków.
Na małej próbce potrafimy już pokazać, że technologia działa. Kolejny krok to odpowiedź na pytanie, czy zachowa swoje właściwości na znacznie większej powierzchni i po długim czasie użytkowania. W laboratorium łatwo zrobić fragment mniejszy od okna. Rynek potrzebuje jednak produktu, który będzie można rzeczywiście zamontować w budynku – przekonuje dr inż. Piotr Zawadzki.
Technologia rozwijana jest w ramach programu PRIME Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Zespół kończy obecnie drugą fazę programu i przygotowuje się do kolejnego etapu, związanego już bezpośrednio z komercjalizacją. Jednym z planowanych kroków jest powołanie spółki, która będzie rozwijała i wprowadzała technologię na rynek. Jeśli kolejne etapy zakończą się powodzeniem, bioodpad może przebyć dość niezwykłą drogę: od obierki czy resztki roślinnej, przez grafenową kropkę kwantową, aż do powierzchni budynku, która zamiast pozostawać biernym elementem architektury, zacznie produkować energię.
MK