Proizveden materijal otporan na toplinu koji poboljšava učinkovitost solarnih ćelija

Posljednjih godina broj patenata na polju tehnologije obnovljive energije neprestano raste. Što je potaknulo ovakav napredak?

Radi se o tome da je tržište godinama bilo nepogodno za prijavljivanje izuma, ali već nekoliko desetljeća primjetan je znatan napredak u ovom polju. Sve se više ulaže u nova istraživanja, kao i u nadogradnju rezultata onih postojećih. Samo tržište se sve više širi i veća je potražnja za novim proizvodima koji će zadovoljiti potrebe kako znanosti tako i potrošača.

Jessika Trancik, suradnica na istraživačkom sveučilištu Massachusetts Institute of Technology s kolegama znanstvenicima je provela istraživanje u preko 100 zemalja, a promatrali su rezultate iz razdoblja između 1970. i 2009. godine. Saznali su kako je prijavljeno preko 73 000 patenata iz područja tehnologije usmjerene na područje energije. Provedena analiza je pokazala usku povezanost između porasta broja patenata i prethodnih ulaganja u istraživanje i razvoj, kao i u širenje tržišta za obnovljivu energiju. Između 2004. i 2009. godine broj proizvedenih patenata za solarnu energiju porastao je za 13% godišnje, a za energiju vjetra za 19% godišnje. Time smo se približili, ako ne i premašili postotke za ostale vrste tehnologije.

Konkretno u SAD-u, od 1975. do 2000. godine prijavljeno je manje od 200 patenata godišnje pa se promijenio i do 2009. godine iznosio preko 1 000 njih godišnje. U 2009. godini u SAD-u je bilo oko 300 patenata vezanih za fosilna goriva, što je u odnosu na ranije godine kada je prijavljivano tek 100 patenata veliki napredak za znanost.

Za ovakva istraživanja izuzetno je važno ulaganje koje bi potaknulo i tržište koje sve više i češće zahtijeva izume koji će dovesti do još većeg napretka znanosti i kvalitete života svih ljudi.

Jedan od ovakvih pozitivnih primjera jeste proizvodnja termalnog odašiljača otpornog na visoku temperaturu. On bi mogao značajno poboljšati učinkovitost solarnih ćelija.

Najprije ćemo objasniti kako solarne ćelije pretvaraju sunčevu energiju u solarnu. One stvaraju elektrone kada su obasjane svjetlošću. Silikon u njima djeluje kao poluvodič. Kada fotoni iz sunčeve svjetlosti dospiju do atoma silikona iz solarne ćelije, svoju energiju prenesu elektronima i time ih odvoje od atoma. Zatim se oslobođeni elektroni ubacuju u električni tok tako što se unutar ćelije stvara nesklad zahvaljujući unutrašnjoj organizaciji atoma silikona. Pri tome se stvaraju 2 vrste atoma silikona, jedan je pozitivnog a drugi negativnog naboja, čime se stvara i električno polje u ćeliji. Silikon djeluje kao poluvodič ali i osigurava nesklad potreban za ovaj proces. Fotoni elektrone izdvajaju iz atoma silikona, a nošeni električnim poljem proizvode električnu struju.

Novost koju donosi ovaj odašiljač jeste njegov cilj da sunčevu toplinu pretvara u infracrveno svjetlo, a njega bi zatim upile solarne ćelije i tako proizvele struju. Ovaj proces naziva se termo-foto-napon.

Raniji prototipovi su se raspali pri temperaturi od 1 200°C a on je otporan i na temperaturi od 1 400°C. U procesu proizvodnje električne energije veći dio vidljivog spektra svjetlosti propadne u obliku izgubljene topline. Valovi manje energije jednostavno prođu kroz fotonaponsku ploču, odnosno kroz solarni panel.

U teoriji, standardna solarna ćelija može imati učinkovitost od 34%, premda u praksi to nije slučaj. Razlog tome je uzaludna potrošnja velike količine sunčeve energije. Novi uređaj je stvoren kako bi premašio ovo ograničenje. Umjesto da sunčevu svjetlost šalje izravno solarnoj ćeliji, termo-foto-naponski sustavi imaju posredničku komponentu sastavljenu od 2 dijela: jedan koji se zagrije kada je izložen sunčevoj svjetlosti i koji je upija te drugi koji odašilje toplinu i pretvara je u infracrvenu svjetlost koja se zatim usmjerava prema solarnoj ćeliji.

Jednostavnije rečeno, svjetlost se pretvara u kraće svjetlosne valove koji su savršeni za pokretanje solarne ćelije i time se učinkovitost ćelije u teoriji poveća na 80%.

Do sada su termo-foto-naponski sustavi dostigli razinu učinkovitosti od 8%, no problem je posrednička komponenta koja se pravi od volframa – materijala kojeg ima u izobilju i koji nije skup. Termalni odašiljači koji se koriste imaju složenu i tanku strukturu koja mora podnositi temperature veće od 1 000°C kako bi energija bila iskoristiva - što je temperatura veća, rezultati su bolji.

U eksperimentima koji su prethodili ovome, trodimenzionalna struktura odašiljača uništena je pri temperaturi od oko 1 000°C. Kako bi izbjegli ovaj problem, znanstvenici su obložili odašiljače iznimno tankim slojem hafnijevog oksida. Obloženi odašiljači su zadržali svoju strukturu preko 12 sati na temperaturi od 1 000°C, a zagrijani na 1 400°C ostali su termalno stabilni barem jedan sat. Potvrđeno je da su ovi uređaji još uvijek bili sposobni proizvesti infracrvene valove koji odgovaraju solarnoj ćeliji.

Keramički materijal koji je korišten pomogao je unaprijediti polje termo-foto-napona, kao i unaprijediti skupljanje energije iz neiskorištene topline i elektro-kemijskih zaliha energije.

Ovo je samo jedan rezultat ulaganja u istraživanja i razvoj znanosti. Dugotrajni učinak ulaganja je još jedan značajan pronalazak istraživanja koje je vodila Trancik. Ono je pokazalo kako se još uvijek ulaže u znanje i kako je sve važnije zajednički djelovati da bismo dobili rezultate koji će nam biti od koristi. Vlade bi mogle donijeti odredbe i ulagati u istraživanja čime bi se potaknuo razvoj novih tehnologija kojima je potrebno više vremena za razvoj te je za njih sam početak iznimno važan.

Sve ovo su i više nego dobri razlozi da se probudimo i shvatimo znanost ozbiljno. Ona će nam donijeti mnoge privilegije i učiniti naše živote ljepšima. Ako mi danas uložimo u znanost, ona će nam sutra vratiti višestruko. 

Izvor: Massachusetts Institute of Technology, Stanford University, Physics.org