Fotowoltaika skoncentrowana (CPV) to połączenie ogniw lub modułów fotowoltaicznych z układem optycznym czyli tak zwanym koncentratorem słonecznym służącym do zwiększania strumienia słonecznego padającego na obszar fotowoltaiczny.
Pracując przy wyższych poziomach napromieniowania niż konwencjonalne panele fotowoltaiczne możliwe jest uzyskanie wyższej wydajności konwersji [C. Lamnatou et al., Renewable Sustainable Energy Rev., 2017, 78, 916–932]. Zaletami systemów optycznych o niskiej koncentracji są: 1) brak konieczności stosowania systemów nadążnych oraz 2) możliwość wykorzystania zarówno promieniowania bezpośredniego, jak i rozproszonego [N. Sarmah et al., Appl. Opt., 2011, 50, 3303]. Biorąc pod uwagę powyższe cechy, systemy CPV o niskiej koncentracji mogą pozostać statyczne, dlatego nadają się do zastosowań na elewacjach i oknach [H. Baig et al., Sol. Energy, 2014, 103, 525-540].
Systemy CPV, charakteryzujące się występowaniem płaskiego koncentratora światła, rozpatrywane są jako układy optyczne oparte na optyce geometrycznej (Zaawansowana technologia materiałów optycznych (cz. 1). Płaski koncentrator światła oparty na optyce geometrycznej.) lub wykorzystujące nowatorskie rozwiązania materiałowe jak koncentratory luminescencyjne.
Luminescencyjne koncentratory słoneczne (LSC) można postrzegać jako przezroczystą matrycę wypełnioną cząsteczkami barwnika, które pochłaniają światło, a następnie ponownie emitują je
w postaci dłuższych fal. Rolę barwnika mogą spełniać np. cząstki organiczne lub nieorganiczne oraz kropki kwantowe. Przezroczysta matryca, szklana bądź z tworzywa sztucznego, służy jako falowód optyczny do przekierowania promieniowania słonecznego do bocznej krawędzi, gdzie umiejscowione jest ogniwo słoneczne [D. Chemisana et al., Renewable Sustainable Energy Rev., 2011, 15, 603-611]. Systemy LSC mogą pełnić funkcje architektoniczne, ponieważ są lekkie, dostępne w różnych kolorach i stopniach przezroczystości oraz często elastyczne, co czyni je wszechstronnym produktem do wykorzystania w systemach BIPV. Na szczególną uwagę zasługuje możliwość implementacji w szybach okiennych lub przeszklonych fasadach.
Mechanizm pracy koncentratora luminescencyjnego można opisać następująco: promieniowanie słoneczne zarówno bezpośrednie, jak i rozproszone, pada na urządzenie LSC wnikając do matrycy i jest przechwytywane przez cząsteczki luminofora. Wzbudzony luminofor izotropowo emituje promieniowanie o dłuższej fali (przesunięcie Stokesa). Część emitowanych promieni jest prowadzona wykorzystując zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia przez falowód i koncentruje się na ogniwie słonecznym umieszczonym na krawędzi matrycy [M. S. Castillo et al., Build Simul, 2022, 15, 1747-1773]. W koncentratorach luminescencyjnych obserwuje się pewne mechanizmy powstawania strat optycznych, które znacząco wpływają na ich wydajność. Szczególnie istotne są stężenie cząsteczek luminofora w matrycy oraz grubość LSC, które bezpośrednio wpływają na ilość zaabsorbowanego promieniowania. To powoduje, że pomimo zdolności LSC do wykorzystania większej ilości promieniowania słonecznego, efektywność energetyczna spada. Dodatkowo problematyczne jest częste pojawianie się wad związanych z niejednorodnością zabarwienia, które również zmniejszają sprawność LSC, a dodatkowo negatywnie wpływają na komfort wizualny w pomieszczeniach i dostosowanie oświetlenia wewnątrz budynków do potrzeb użytkownika (N. Aste et al., Energy Procedia, 2017, 105, 967-972).
Obecnie postęp technologiczny LSC koncentruje się głównie na opracowaniu luminoforu jako znakomitego materiału optycznego. Aby osiągnąć wysoką wydajność konwersji, energia emitowanych fotonów o wysokiej wydajności kwantowej powinna być nieco większa niż przerwa energetyczna zastosowanego ogniwa słonecznego. Jednym z problemów, który ogranicza poprawę wydajności LSC jest reabsorpcja, która zmniejsza wydajność optyczną poprzez nakładanie się zakresów długości fali absorpcji i emisji luminofora. Rozwiązaniem jest zwiększenie przesunięcia Stokesa na przykład poprzez użycie odpowiedniego materiału jak chociażby kropek kwantowych [A. M. Ramachandran et al., RINENG, 2022, 16, 100665].
Oprócz samego luminofora ważne są badania matrycy koncentratora luminescencyjnego, która odpowiada za jego trwałość i stabilność. W przypadku LSC matryca musi być optycznie przezroczysta, aby zachować zdolność absorpcji tylko dla materiału luminescencyjnego. Ponadto musi być jednorodna i nie może wykazywać wpływu na widmo lub wydajność materiałów luminescencyjnych [K. Jo et al., Appl. Sci. Converg. Technol., 2021, 30(1), 14-20]. Najpopularniejszym materiałem matrycowym stosowanym w LSC jest PMMA, który ma tę zaletę, że jest niedrogi i ma przezroczystość optyczną podobną do szkła. Badania nad matrycami stosowanymi do LSC można podzielić na dwie główne kategorie: te, które wprost mogą zastąpić PMMA (polistyren (PS), polistyren-ko-akrylonitryl (SAN) i poliwęglan (PC)) oraz te, które kompensują wady PMMA, np. jego niską fotostabilność (poli(styren-ko-metakrylan metylu) i termoutwardzalne polimery fluorowane) [A. F. Mansour et al., Polym. Test., 2005, 24, 519; G. Griffini et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2013, 118, 36].
Obecnie możemy obserwować komercyjne wykorzystanie koncentratorów LSC. Ciekawym rozwiązaniem jest wykonany w 2017 roku prototyp okiennego urządzenia LSC, który odzyskuje fotony o wysokiej energii z widma ultrafioletowego przesuwając długość fali do widma widzialnego absorbowanego przez ogniwa fotowoltaiczne umieszczone na krawędziach okna. Oszacowano, że średnie dzienne wytwarzanie energii elektrycznej wyniosło 450 Wh/dzień podczas instalowania przeszkleń LSC o powierzchni 20 m2 w północnoafrykańskiej strefie klimatycznej [M. Fathi et al., Optik, 2017, 148, 14-27]. W Polsce znakomitym przykładem wykorzystania koncentratora luminescencyjnego jest samowystarczalny przystanek znajdujący się w Katowicach przy ulicy Korfantego. Prototyp opracowany przez firmę Helioenergia wykorzystuje system LSC zwiększając sprawność ogniw fotowoltaicznych o 15%.
Rys. 1. Helio Smart Shelter - samowystarczalny energetycznie przystanek w Katowicach przy ulicy Korfantego (obok katowickiego Spodka)
wykorzystujący koncentratory luminescencyjne LSC do poprawy wydajności ogniw słonecznych [materiały promocyjne firmy Helioenergia].
Pomysłodawca koncepcji – Rafał Strzelecki.
Dostosowanie technologii fotowoltaicznej – Olgierd Jeremiasz.
Projekt – Derstone x Off Teoria.
Wykonawca prototypu – Helioenergia sp. z o. o.
