Szyby fotowoltaiczne - dzięki nim uzyskamy prąd z energii słonecznej!

Rośnie zapotrzebowanie na energię elektryczną

Światowe zużycie energii elektrycznej tylko w 2018 roku wzrosło prawie dwukrotnie szybciej niż średnie tempo zanotowane od 2010 roku ("Global Energy & CO2 Status Report"). Bowiem coraz większa część naszego życia zależna jest od urządzeń wymagających zasilania. Rośnie przy tym popyt na wszelkiego rodzaju paliwa, na czym najbardziej w ostatnim czasie zyskał gaz. Oczywiście, nadal to paliwa kopalne zaspokajają w większości rosnące zapotrzebowanie na prąd (co przekłada się na emisję szkodliwego dla klimatu dwutlenku węgla). Jednak w dwucyfrowym tempie zwiększyła się w ostatnich latach również produkcja energii z wiatru i słońca. Ponieważ wykorzystanie naturalnych źródeł energii niesie dużo korzyści zarówno dla środowiska, jak i dla osób sięgających po takie nowoczesne rozwiązania.

Jedną z najprężniej rozwijających się w ostatnim czasie technologii OZE jest fotowoltaika, która polega na przetwarzaniu energii słonecznej na energię elektryczną. Sięga po nią coraz więcej Polaków, zwłaszcza teraz, gdy ceny prądu stale rosną. Niestety, jest to dość kosztowne przedsięwzięcie, ponieważ przeciętna instalacja fotowoltaiczna o mocy szczytowej 5 kW to wydatek ok. 30 tys zł (w przeliczeniu na 1 kW wychodzi 6 tys zł). Na jej koszt składa się przede wszystkim: przygotowanie projektu, zakup systemu montażowego i sprzętu elektrycznego, kupno modułów (będących najdroższym elementem całej instalacji) oraz montaż. Jednak wszyscy zainteresowani mogą skorzystać z wielu form dofinansowania do fotowoltaiki (chociażby z dotacji samorządowych, czy rządowych np. z programu Mój Prąd).

Czy przyszłością są szyby fotowoltaiczne?

Do tej pory wielkie i ciężkie instalacje fotowoltaiczne montowane były głównie na dachach. Co jest zresztą najtańszym sposobem ich przymocowania, ponieważ w tym przypadku płacimy jedynie za łączniki i haki montażowe. Natomiast już osobne konstrukcje spełniać muszą konkretne wymagania (co do stabilności i wysokości), w związku z czym ich koszt jest już wyższy. Pomimo tego, że ogniwa słoneczne na przestrzeni ostatnich kilku lat potaniały, to tak przez rosnący popyt na energię słoneczną, duży nacisk kładzie się nadal na produkcję możliwie jak najbardziej wydajnych paneli. Dominujące obecnie na rynku panele monokrzemowe mają wydajność +/-20%, natomiast skupiające panele fotowoltaiczne (CPV) koncentrują światło słoneczne na mniejszych, za to o wiele wydajniejszych ogniwach i pozwalają uzyskać ogólną wydajność 35 - 40% (są one m.in. podstawowym źródłem energii elektrycznej w przypadku satelitów orbitujących wokół Ziemi). Jednak również i one są dużych rozmiarów oraz posiadają trackery śledzące kąt padania promieni słonecznych w ciągu dnia, przez co najlepiej sprawdzają się wyłącznie na otwartych i nasłonecznionych przestrzeniach.

Dlatego też, już od jakiegoś czasu w obszarze zainteresowania naukowców znajdowały się transparentne ogniwa fotowoltaiczne. Dlaczego? Ponieważ ich wykorzystanie zmieniłoby całkowicie podejście do odnawialnych źródeł energii. Główną przeszkodę stanowiły jednak materiały wykorzystywane do tej pory w fotowoltaice, które uniemożliwiały realizację tego celu. Najnowsze osiągnięcia w dziedzinie nanomateriałów otworzyły jednak nowe możliwości, a dzięki ich zastosowaniu stało się w końcu możliwe wykorzystanie powierzchni okien, czy przeszkleń na budynkach do uzyskania energii elektrycznej z OZE. Wszystko za sprawą technologii, która ma szansę podbić świat! Dzięki stworzonej przez Polaków fotowoltaicznej szybie z powłoką na bazie kropek kwantowych będzie można nie tylko wytworzyć prąd, ale również ochronić wnętrze mieszkania, domu, czy samochodu przed przegrzaniem w lato oraz szkodliwym promieniowaniem UV.

Kropki kwantowe w szybach fotowoltaicznych - co to jest? Jak to działa?

Sposób wytwarzania modułów fotowoltaicznych z wykorzystaniem tajemniczo brzmiącej technologii kropki kwantowej opatentowany został przez firmę ML System z Zaczernia. Pozwala ona na produkcję transparentnych ogniw fotowoltaicznych i może być zastosowana na powierzchni okien oraz przeszkleń na budynkach. Przy czym, należy tu zaznaczyć, że tak innowacyjny materiał jakim są kropki kwantowe, coraz częściej zastępują inne materiały w wielu różnych dziedzinach, w tym w: biotechnologii, medycynie, czy elektronice. Dzięki swoim właściwościom rewolucjonizuje również fotowoltaikę. Na pewno zastanawiacie się nad tym, czym jest ta zagadkowa kropka kwantowa?

Kropki kwantowe są obszarem przestrzeni ograniczonym w trzech wymiarach barierami potencjału. Nazywany on jest tak, gdy wewnątrz uwięziona jest cząstka o długości fali, która porównywalna jest z rozmiarami kropki. Zatem oznacza to, że opis zachowania cząstki musi być przeprowadzony z użyciem mechaniki kwantowej. Mówiąc prościej, kropki kwantowe są niewielkimi półprzewodnikami o mikroskopijnych wymiarach, od kilku do kilkunastu nanometrów (dla porównania czerwone krwinki mają średnicę ok. 6.000-9.000 nanometrów). Zbudowane są one z kilku lub kilkunastu atomów i zdolne są do pochłaniania oraz emitowania promieniowania elektromagnetycznego (światła).

Kropki kwantowe (podobnie zresztą jak półprzewodniki), pochłaniają fotony światła o takiej energii, która daje możliwość przejścia elektronów z poziomu niewzbudzonego na jeden z wyższych dostępnych poziomów energetycznych, któremu towarzyszy emisja światła. Współczesna technologia wymaga stosowania półprzewodników, a właśnie kropki kwantowe są najbardziej innowacyjnym oraz niezwykłym półprzewodnikiem. Ich największą zaletą jest to, że są małe i można w dowolny sposób manipulować zarówno ich kształtem, jak i rozmiarem, wpływając na ich właściwości tak, aby dopasowywały się swoim kształtem do naszych potrzeb. Kropki kwantowe mogą zatem świecić w dowolnym kolorze (z intensywnością, która przewyższa inne technologie) oraz np. działać jak filtry (wycinając szkodliwe dla człowieka promieniowanie UV i nadmierną ilość promieniowania podczerwonego).

Kropki kwantowe w fotowoltaice zaczynają odgrywać coraz większą rolę

Dzięki tym właściwościom kropki kwantowe nie tylko są potencjalnie najlepszym materiałem do stworzenia komputera kwantowego, ale od kilkudziesięciu lat z powodzeniem wykorzystywane są również w biologii i medycynie m.in. w widmowych kodach paskowych czy nanoznacznikach. Przy czym, odkrycie kropek kwantowych może okazać się nie tylko przełomem w medycynie, ale również w fotowoltaice, w której to za sprawą polskich wynalazców zaczynają odgrywać coraz większą rolę. Dlaczego? Ponieważ po pierwsze, absorbują więcej i w szerszym zakresie niż najbardziej popularny teraz półprzewodnik w fotowoltaice, czyli krzem. Po drugie zaś, pomimo upływu czasu, kropki kwantowe nie tracą na sprawności oraz są odporne na warunki atmosferyczne. Jednak ich największą zaletą jest to, że mogą być zupełnie transparentne. Do tej pory, sporą przeszkodą w rozwoju tej technologii były nanometryczny rozmiar kropki kwantowej. Jednak dzięki mikroskopii elektronowej nie stanowi to już żadnej bariery, a dodatkowo postęp technologiczny pozwala na wykorzystywanie i aplikację nowych materiałów.

Czym zatem kropki kwantowe różnią się od swojego głównego rywala jakimi są materiały perowskitowe? Już jakiś czas temu to właśnie perowskity zostały okrzyknięte przyszłością fotowoltaiki. Na ten moment perowskitowe ogniwa fotowoltaiczne są jeszcze w fazie ostatnich testów (przeszły m.in. testy praktyczne na fasadzie warszawskiego biurowca Spark). Ruszyła już ich pilotażowa produkcja, jednak nadal trwają prace nad optymalizacją linii produkcyjnej, a w sprzedaży produkt będzie dostępny prawdopodobnie w 2021 r. Tym, co łączy obie te technologie, są polscy twórcy. Bowiem również metodę pozyskiwania perowskitowych modułów fotowoltaicznych z zastosowaniem druku atramentowego opracowała polska fizyczka Olga Malinkiewicz (jest ona także współzałożycielką spółki Saule Technologies, zajmującej się komercjalizacją tego wynalazku). Co istotne, zarówno kropki kwantowe, jak i perowskity mogą być równie łatwo nakładane na powierzchnie.

Jednak na tym podobieństwa się kończą. Tym co wyróżnia kropki kwantowe jest to, że są one stabilniejsze, co oznacza, że nie ulegają degradacji. Mogą być także całkowicie przezierne (czyli przezroczyste) lub też mieć ustalony kolor, co jest niemożliwe w przypadku materiału perowskitowego. Do tego kropki kwantowe nie muszą zawierać szkodliwych pierwiastków oraz mogą świecić. W związku z czym, dużo mówi się o tym, że to właśnie one mają przewagę w tej fotowoltaicznej rywalizacji.

Seryjna produkcja szyb fotowoltaicznych 'Quantum Glass" rusza w 2021 roku w Rzeszowie

Od 16 grudnia 2021 roku prąd z energii słonecznej będzie można uzyskiwać nie tylko za sprawą tak popularnych paneli fotowoltaicznych, ale i dzięki fotowoltaicznym szybom zespolonym. To właśnie wtedy rusza pierwsza polska fabryka, produkująca materiał o nazwie "Quantum Glass". Jest to nic innego, jak przezroczysty panel słoneczny, wykonany z szyby fotowoltaicznej. Właścicielem fabryki, jak i samego patentu na szybę z kropkami kwantowymi jest polska firma ML System.

Jak zapowiada prezes firmy, Dawid Cycoń, miesięczna produkcja materiału "Quantum Glass" ma wynieść ok. 5.000 metrów kwadratowych. Docelowo, fabryka ma posiadać trzy linie produkcyjne, które pozwolą wytworzyć nawet 200.000 metrów kwadratowych szyb fotowoltaicznych rocznie.

Przed wdrożeniem masowej produkcji, technologia przeszła szereg testów w przedsięwzięciach pilotażowych, realizowanych m.in. dla sieci sklepów Żabka czy norweskiego centrum turystycznego w Dalsnibba. Sam produkt jeszcze przed rozpoczęciem wytwarzania budził zainteresowanie m.in. koncernów szklarskich, ale też producentów stolarki okiennej. Zastosowanie, z powodzeniem, może też znaleźć w branży motoryzacyjnej, zastępując klasyczne szyby atermiczne. Wśród potencjalnych odbiorców produktów ML System mają się znaleźć też firmy m.in. z Arabii Saudyjskiej i Zjednoczonych Emiratów Arabskich.

Czy polskie szyby fotowoltaiczne zmienią światową energetykę słoneczną?

Popularność rozwiązania nie powinna jednak nikogo dziwić. Jak już wspominaliśmy, szyby fotowoltaiczne (z powłokami na bazie kropek kwantowych) działają jak standardowe ogniwa fotowoltaiczne z tą jednak różnicą, że są od nich znacznie stabilniejsze i bardziej odporne na działanie czynników zewnętrznych (przy czym zastosowanie kropek kwantowych nie zmienia wagi takiej szyby). Co ważne, taka transparentna szyba fotowoltaiczna umożliwia nie tylko wytwarzanie energii elektrycznej, ale także będzie mogła emitować światło w każdym dowolnym kolorze. Ochroni nas przed szkodliwym promieniowaniem UV oraz ograniczy ilość promieniowania podczerwonego (IR) docierającego do domu, czy samochodu. Tym samym, nie tylko unikniemy przegrzania w upalne dni, ale i zaoszczędzimy na prądożernych klimatyzatorach. Szyby fotowoltaiczne nie są również toksyczne dla środowiska, a przy ewentualnym zniszczeniu nie ma obaw o zdrowie osoby, która była narażona na kontakt z nią. Szacuje się, że czas pracy szyby fotowoltaiczne na bazie kropek kwantowych to ok. 50 lat.

W przypadku kropek kwantowych (przeciwieństwie do skupiających paneli fotowoltaicznych - CPV), nie ma też znaczenia kąt padania światła. Dlatego też znakomicie sprawdzą się one również w oknach wszystkich pojazdów, jak i w pionowych elewacjach budynków. 

Technologia oraz pierwsza tego typu fabryka w Polsce to nie jedyne sukcesy ML System. Firma, według raportu "Building Integrated Photovoltaic Skylights Market 2020-2027" należy do najistotniejszych producentów BIPV (fotowoltaiki zintegrowanej z budynkiem) na świecie. W portfolio tego przedsiębiorstwa znajduje się 13 patentów (w tym na technologię szyb z kropkami kwantowymi), a 6 kolejnych zgłoszeń czeka na rozstrzygnięcie.

Szyby fotowoltaiczne - zalety i wady

Oczywiście, jak każdy inny produkt, również szyby fotowoltaiczne mają zarówno swoje zalety, jak i wady. Wśród zalet szyb fotowoltaicznych wymienić należy to, że:

spełniają wymogi termiczne, akustyczne oraz ochrony przeciwsłonecznej;
są znacznie stabilniejsze i bardziej odporne na działanie czynników zewnętrznych;
mogą być zupełnie transparentne;
nie zawierają szkodliwych pierwiastków i nie są toksyczne dla środowiska;
nie tylko dają prąd, ale również świecą (emitują światło w dowolnym kolorze);
dają stabilność temperaturową;
chronią nas przed szkodliwym promieniowaniem UV oraz ograniczają ilość promieniowania podczerwonego (IR), które dostaje się do pomieszczenia;
w ich przypadku znaczenia nie ma kąt padania, w związku z czym mogą być w oknach pojazdów i w pionowych elewacjach budynków;
powłoki na bazie kropek kwantowych nie zmieniają wagi szyby, dlatego też nie trzeba trzeba modyfikować już istniejącej konstrukcji;
mają długi czas pracy (nawet do 50 lat).

Natomiast wśród wad szyb fotowoltaicznych należy wymienić to, że:

kropki kwantowe, z których są zbudowane, mają nanometryczny rozmiar, przez co do pracy z nimi potrzeba specjalistycznych urządzeń (jednak dzięki mikroskopii elektronowej nie stanowi to już bariery);
ich masowa produkcja ma ruszyć dopiero na początku 2022 roku.

Od dłuższego czasu technologie oparte na nanomateriałach przeżywają dynamiczny rozwój, a już w niedalekiej przyszłości będą one stanowić nieodzowną część naszego życia. Również technologia kropki kwantowej wykorzystana do produkcji szyb fotowoltaicznych może zrewolucjonizować przemysł budowlany i transportowy.