Najveći deo energije dostupne na Zemlji izvorno potiče od Sunca. Električna energija koju stvaraju hidroelektrane, turbine na vetar, elektrane na biomasu, solarne termalne elektrane ili termoelektrane na fosilna goriva, nastaje transformacijom energije zračenja Sunca kroz razne fizičke, hemijske i biološke procese na Zemlji. Postoje i izvori koji nisu solarnog porekla, kao što su plima i oseka odnosno geotermalna i nuklearna energija, ali se raspoloživa količina energije može zanemariti u odnosu na energiju koju Sunce kontinuirano predaje Zemlji. Solarne ćelije zauzimaju posebno mesto među pomenutim izvorima zbog toga što omogućuju direktno prevođenje svetlosne u električnu energiju, bez posrednih procesa, stvaranja bočnih efekata ili nusproizvoda koji često nepovoljno deluju na klimu i životnu sredinu. Danas, kada su moderne silicijumske solarne ćelije široko rasprostranjene i kada smo svedoci njihovog ubrzanog razvoja, često se zaboravlja da istraživanja u ovoj oblasti počinju mnogo pre njihovog otkrića 50-tih godina 20. veka. Pored istorijata, u kome se na zanimljiv način prepliću značajna otkrića i preuranjena očekivanja, na uzbudljivu i nepredvidljivu budućnost solarnih ćelija ukazuje i raznolikost tekućih istraživanja.
Kratak istorijat fotonaponskih sistema
U prirodi postoje materijali u kojima dolazi do razdvajanja nosilaca pozitivnog i negativnog naelektrisanja kada su izloženi svetlosti. Ova pojava se naziva fotonaponskim efektom, a njeno otkriće se uglavnom pripisuje 19-ogodišnjem Edmondu Bekerelu, koji je 1839. godine, eksperimentišući u laboratoriji svog oca, čuvenog francuskog fizičara, primetio da se između dve elektrode uronjene u elektrolit javlja struja prilikom izlaganja svetlosti.
Prvi fotonaponski sistem u čvrstom stanju je napravljen 1876. godine, kada su engleski fizičari Vilijam Adams i Ričard Dej primetili da štap od selena sa platinskim elektrodama proizvodi električnu energiju pri osvetljavanju. Šest godina kasnije, američki pronalazač Čarls Fric je konstruisao prvi solarni modul koji se sastojao od nekoliko redno vezanih selenskih ćelija aktivne površine od oko 30 kvadratnih centimetara. Instaliran na krovu zgrade u Njujorku, jedan ovakav modul je mogao da proizvede svega par milivati električne energije, uz efikasnost od oko 1%, što znači da bi bile potrebne stotine za napajanje jedne današnje štedljive sijalice. Fric je bio uveren da će njegovi solarni paneli u bliskoj budućnosti moći da se nadmeću sa termoelektranama koje je u to vreme razvijao Tomas Edison. Bio je to prilično odvažan stav, imajući u vidu da je prva komercijalna elektrana, koju je Edisonova kompanija 1882. godine otvorila na Menhetnu, proizvodila snagu veću od sto hiljada vati (tj. kilovata).
U potrazi za podrškom, Fric je poslao jedan svoj modul Verneru fon Simensu, čuvenom nemačkom pronalazaču i industrijalcu. Simens je bio oduševljen Fricovom solarnom ćelijom, smatrajući je naučnim otkrićem izuzetnog značaja i dalekosežnih posledica. Simens je modul predstavio Pruskoj kraljevskoj akademiji, pozivajući na detaljna ispitivanja porekla elektromotorne sile koju je apsorpcija svetlosti u selenskim panelima proizvodila. Rad Simensa je kasnije doveo do razvoja detektora svetlosti na bazi selena. Međutim, i pored velikog ushićenja brojnih vodećih ljudi tog doba, uključujući i fizičare poput Džejmsa Maksvela i Hajnriha Herca, prošlo je mnogo godina pre značajnog pomaka u razvoju. Jedan od razloga zastoja je bilo odsustvo razumevanja fizičkih pojava koji dovode do fotonaponskog efekta. Krajem 19. veka je većina istraživača i dalje smatrala da proizvodnja električne energije zahteva toplotu koja bi se parnom mašinom mogla prevesti u mehaničko kretanje i tek potom u električnu struju. Tek su Ajnštajnovo objašnjenje fotoelektričnog efekta 1905. (za koje je kasnije nagrađen Nobelovom nagradom) i razvoj kvantne teorije koji je usledio omogućili teorijsko razumevanje fotonaponskog efekta. Bilo je potrebno još nekoliko decenija razvoja tehnologije i fizike poluprovodnika do otkrića silicijumskih solarnih ćelija 1954. godine, koje su tada imale efikasnost od oko 6%. Njujork tajms, ugledni američki dnevni list, je 26. aprila 1954. godine objavio na naslovnoj strani fotografiju solarnog modula koju su dan ranije objavile Belove laboratorije, praćen člankom punim optimizma o uređaju koji će omogućiti eksploataciju praktično neograničene Sunčeve energije.
KLIMA101 NEDELJNI NEWSLETTER
Savremene solarne ćelije za masovnu proizvodnju električne energije, poput onih u solarnim elektranama ili instaliranih na krovovima kuća, spadaju u tzv. 1. generaciju solarnih ćelija. U pitanju su najpopularnije i najefikasnije ćelije bazirane na tehnologiji razvijenoj 50-tih i 60-tih godina 20. veka, koje čine preko 80% ćelija u prodaji danas. Pored njih, na tržištu postoje novije ćelije tzv. 2. generacije čija je osnovna karakteristika da se izrađuju od 10 ili više puta tanjih aktivnih slojeva nego ćelije 1. generacije, a koncipirane su sa namerom značajnog smanjenja troškova proizvodnje. U ovu klasu spadaju ćelije na bazi amorfnog silicijuma, kadmijum telurida i bakar indijum galijum diselenida. Iako su tokom godina vršena velika ulaganja u razvoj 2. generacije solarnih ćelija, a njihov udeo u ukupnoj prodaji u jednom trenutku prešao 15%, komercijalna budućnost ćelija 2. generacije je i dalje neizvesna. Na kraju, danas se govori i o tzv. 3. generaciji, gde spadaju sve solarne ćelije koje se trenutno nalaze u fazi istraživanja.
Tekuća istraživanja na Institutu za fiziku u Beogradu
Predmet istraživanja u okviru projekta PV-Waals, čija je realizacija u toku na Institutu za fiziku u Beogradu i finansiranog od strane Fonda za nauku Republike Srbije, Program za izvrsne projekte mladih istraživača (PROMIS), je novi tip fotonaponskih sistema baziran na dvodimenzionalnim kristalima čiji bi aktivni sloj bio oko 100,000 puta tanji nego kod klasičnih silicijumskih solarnih ćelija. Radi se o atomski tankim kristalnim ravnima čije su osobine prvi opisali Andre Gajm i Kontantin Novoselov 2005. godine. Dvodimenzionalni kristali ispoljavaju niz neobičnih osobina, a možda najneočekivanija među njima je stabilnost u ambijentalnim uslovima. Naime, neuspeh brojnih prethodnih pokušaja da se izoluju dvodimenzionalni kristali, sve do otkrića grafena 2004., objašnjavan je hipotezom da je stabilnost dvodimenzionalnih kristala zabranjena fundamentalnim principima. Na primer, još 30-tih godina 20. veka, nemačko-britanski fizičar Rudolf Pajrls i ruski fizičar Lav Landau su, polazeći od različitih pretpostavki, došli do zaključka da je dugodometno kristalno uređenje u jednoj i dve dimenzije nemoguće. Pasivnost bazalnih ravni dvodimenzionalnih kristala koje su prvi put izolovali Novoselov i Gajm omogućava njihovo slaganje i formiranje tzv. van der Valsovih heterostruktura sa atomski oštrim heterospojem, što je mogućnost bez presedana koja je dovela do revolucije u istraživanjima u optoelektronici tokom proteklih nekoliko godina. Eksperimentalni rad na grafenu i dvodimenzionalnim kristalima u Srbiji je započet tokom 2009. godine u grupi Radoša Gajića, naučnog savetnika u Centru za fiziku čvrstog stanja i nove materijale Instituta za fiziku u Beogradu.
Prvi značajniji rezultati istraživanja fotonaponskih sistema na bazi van der Valsovih heterostruktura, pod rukovodstvom Novoselova i Gajma, nagrađenih u međuvremenu Nobelovom nagradom iz fizike za otkriće grafena, su objavljeni 2013. godine. Do sada je utvrđeno više izvanrednih osobina ovih sistema, kao što su veoma visoka koncentracija električne energije, fleksibilnost i eksterna kvantna efikasnost iznad 50%. Pošto se radi o debljini od svega par atomskih slojeva, ovi fotonaponski sistemi predstavljaju najtanje moguće solarne ćelije koje, imajući u vidu ohrabrujuće rezultate dosadašnjih eksperimenata sa dihalkogenidima prelaznih metala, predstavljaju platformu za zanimljiva fundamentalna istraživanja mehanizma konverzije svetlosti u električnu energiju a u budućnosti bi mogle naći primenu u napajanju autonomnih mikro i nanouređaja u npr. sklopu interneta stvari, gde bi mala masa i fleksibilnost nanometerski tankih fotonaponskih sistema bila posebno značajna.
Naučni cilj projekta PV-Waals je da se ovakvi fotonaponski sistemi izrade na Institutu za fiziku u Beogradu i ispita mogućnost povećanja njihove efikasnosti upotrebom nanočestica od plemenitih metala koje omogućavaju da se znatno veći deo upadne svetlosti apsorbuje u nanometarski tankom aktivnom sloju. Konkretno, projekat predviđa (1) dizajn konfiguracije metalnih nanočestica za uvećanje apsorpcije celog solarnog spektra, (2) izradu istih i verifikaciju uvećane apsorpcije pomoću specijalnih spektroskopskih tehnika za ispitivanje ultratankih sistema (spektroskopska elipsometrija), (3) izradu monokristalnih van der Vals fotonaponskih sistema sa električnim kontaktima i njihovu mikroskopsku karakterizaciju kombinovanjem metoda skenirajuće mikroskopije na bazi atomskih sila, odnosno Ramanove spektroskopije i fotoluminiscentne mikroskopije i (4) izradu nanometarski tankog fotonaponskog sistema sa metalnim nanočesticama i električnim kontaktima i merenje strujno-naponskih karakteristika u mraku i kontrolisanom osvetljenju.
Očekivani rezultati
Pored postizanja navedenih naučnih ciljeva, osnovni rezultat realizacije projekta će biti podizanje kadrovskih i operativnih kapaciteta za istraživanje u okviru zadate naučne teme, u skladu sa ciljem Programa PROMIS. Značajno povećanje mogućnosti srpskih istraživača za uključivanje u međunarodne kolaboracije u ovoj oblasti će, između ostalog, biti rezultat (1) pripreme sistema za izradu i fino kontrolisanje konfiguracije van der Valsovih heterostruktura, (2) nadogradnje postojećeg skenirajućeg mikroskopa na bazi atomskih sila za foto-asistirana merenja, (3) razvoja tehnologije optičke litografije za izradu električnih kontakata na ovakvim fotonaponskim sistemima i (4) razvoja tehnike pripreme metalnih nanočestica na nanometarski tankim dielektričnim filmovima.
