W ostatnich latach nastąpił gwałtowny wzrost zainteresowania przezroczystą (TPV – ang. transparent photovoltaics) i półprzezroczystą (sTPV – ang. semi-transparent photovoltaics) fotowoltaiką, ponieważ tradycyjne, nieprzejrzyste urządzenia nie nadają się do wielu innowacyjnych zastosowań, takich jak okna budynków lub pojazdów. Dodatkowe wymagania dla tych aplikacji to wysoka sprawność konwersji, wymagająca kompromisu w celu osiągnięcia pożądanego stopnia przezroczystości oraz estetyczny wygląd [M. Pompilio, et al., Molecules, 2023, 28, 180].
Specyfika sektora BIPV (ang. building integrated photovoltaics) wymaga zastosowania przezroczystych i/lub półprzezroczystych modułów fotowoltaicznych w celu zapewnienia optymalnego oświetlenia i komfortu cieplnego. Półprzezroczysta fotowoltaika może być również interesująca w agrowoltaice, zarówno tej rozmieszczonej w środowisku rolniczym na otwartych polach, czy też zintegrowanej z architekturą szklarni. Z kolei transparentna fotowoltaika jest wymieniana jako element potencjalnej integracji z pojazdami (VIPV – ang. vehicle integrated photovoltaics), gdzie przezroczyste panele słoneczne wbudowane w dachy, szyby przednie lub okna pojazdów elektrycznych mogą poprawić ich zasięg lub zasilać niektóre z mniej energochłonnych elementów [M. Heinrich, et al., Proceedings of 37th European PVSEC, 7–11 September, 2020, p.11].
Technologie TPV i sTPV mają inne wymagania, niż tradycyjne urządzenia PV. Jak sugerują ich nazwy, kluczową cechą tych urządzeń jest przejrzystość w widzialnym zakresie widma elektromagnetycznego określana ilościowo przez tzw. uśrednioną widzialną przezroczystość (AVT – ang. averaged visible transparency). Umowną granicą rozdziału pomiędzy TPV i sTPV jest 60 % [J. Sun, J.J. Jasieniak, J. Phys. D Appl. Phys., 2017, 50, 093001]. Osiągnięcie wysokiego współczynnika AVT nieuchronnie zmniejsza wydajność konwersji energii (PCE – ang. photovoltaic conversion efficiency) urządzenia poprzez niższą absorpcję w ogniwie. Z kolei inteligentne okna zwykle wymagają AVT na poziomie około 50% [C.J. Traverse, et al., Nat. Energy, 2017, 2, 849-860]. Ponadto, podobnie jak w przypadku każdego rodzaju modułów PV, które mają działać poza kontrolowanym środowiskiem, wymagana jest stabilność i odporność na czynniki atmosferyczne, aby uzyskać urządzenia wysokiej jakości.
Można mieć nadzieję, że wiele z tych wyzwań zostanie rozwiązanych, patrząc na świat przyrody, w którym zwierzęta i rośliny wyewoluowały mnóstwo rozwiązań problemów związanych z zarządzaniem światłem i stabilnością na przestrzeni milionów lat ewolucji, począwszy od koloru strukturalnego, mającego na celu kamuflaż lub wabienia partnera, poprzez struktury wspomagające fotosyntezę, do superhydrofobowych liści.
W cieplejszych regionach świata duże zapotrzebowanie na energię elektryczną wiąże się z koniecznością chłodzenia budynków. W takim przypadku przejście z konwencjonalnego szkła o wysokiej przezroczystości na sTPV o niższym AVT przyczyniłoby się do słabszego nagrzewania się wnętrz. Minimalna wartość współczynnika AVT, akceptowalna dla okien, zawiera się zwykle w przedziale 20-30 %, więc technologia sTPV jest w pełni kompatybilna z tym zastosowaniem [Q. Xue, et al., Energy Environ. Sci., 2018, 11, 1688-1709]. Inspiracja łuską chrząszcza doprowadziła do wytworzenia spektralnie selektywnych elektrod z naprzemiennie ułożonych warstw organicznych i metalowych o różnych współczynnikach załamania światła. Taki zabieg doprowadził do stworzenia ogniwa organicznego z powłoką przeciwodblaskową i hydrofobową z możliwością dostrojenia koloru o czystości prawie 100 % [S. Wang, et al., ACS Nano, 2020, 14, 5998-6006].
Inną strukturą biologiczną, która została pomyślnie zreplikowana w dziedzinie bioinspirowanych PV, jest oko ćmy. Rogówki wielu gatunków motyli i ciem wykazują nanostruktury składające się z milionów nanometrycznych elementów o wysokości i średnicy wahającej się od dziesiątek do kilkuset nanometrów, które działają jak warstwa o stopniowo zmieniającym się współczynniku załamania światła. Naukowcy zastosowali taką strukturę w perowskitowym ogniwie słonecznym zmniejszając współczynnik odbicia światła w obszarze widzialnym, osiągając sprawność na poziomie 10,53 % przy jednoczesnym wysokim współczynniku AVT na poziomie 32,5 % [Y.Y. Zhu, et al., EcoMat, 2021, 3, e12117].
Rozważając komercyjne wdrożenie urządzeń PV na dużą skalę, należy wziąć pod uwagę trzy kluczowe czynniki: niski koszt, wysoką wydajność oraz stabilność. Zarówno przezroczyste, jak i półprzezroczyste moduły fotowoltaiczne są dedykowane do pracy na zewnątrz, co sprawia, że ich odporność na czynniki, takie jak wilgoć czy kurz, stają się istotne pod kątem pomyślnego wdrożenia. Obiecującym sposobem rozwiązania tego problemu jest wykorzystanie biomimetycznych powłok superhydrofobowych o właściwościach samoczyszczących. Powierzchnię superhydrofobową definiuje się jako taką, dla której kąt zwilżania kropli wody jest większy niż 150° oraz kąt jej poślizgu, określany jako kąt nachylenia powierzchni, przy którym kropla zaczyna się po niej ślizgać, jest mniejszy niż 5°. Przykładów powierzchni superhydrofobowych w przyrodzie jest kilka: od liści różnych gatunków roślin, z najbardziej znanym liściem lotosu, po skrzydła owadów i oczy, w tym wspomniane już oczy ćmy. Naukowcy wykorzystali wzór oka ćmy o wysokości 170 nm odwzorowując go na folii z politereftalanu etylenu (PET) o szerokości 1,1 m drukowania roll-to-roll. Otrzymana warstwa była wysoce przezroczysta, ze średnią przepuszczalnością światła widzialnego ponad 90% i wykazywała znakomite właściwości samooczyszczające [S. Ju, et al., Nanotechnology, 2020, 31, 505301]. Inny przykład przezroczystej warstwy superhydrofobowej zaczerpnięto z właściwości liścia lotosu. Superhydrofobowość tej rośliny jest wypadkową obecności dwóch poziomów chropowatości: w skali mikrometrycznej i nanometrycznej. Stosując tę zasadę, wytworzono wielowarstwową folię, wykorzystując mieszaninę nanosfer SiO2 o średnicy 50 nm i 20 nm bezpośrednio na szkle uzyskując właściwości antyrefleksyjne przy zachowaniu współczynnika AVT ok. 90 % [J. Bravo, et al., Langmuir, 2007, 23, 7293-7298].
Innym rodzajem urządzeń fotowoltaicznych, które mogą skorzystać na dalszym rozwoju wdrażania strategii zarządzania światłem inspirowanych biologią, są półprzezroczyste luminescencyjne koncentratory słoneczne (LSC). W tym przypadku negatywowa replika mikrostruktury liścia wykonana z polidimetylosiloksanu (PDMS) nadała urządzeniu lepsze właściwości rozpraszania światła w LSC [B.M. Chen, et al., Materials, 2022, 15, 2353].
Ogólnie rzecz biorąc, wdrożenie materiałów biologicznych lub nią inspirowanych oraz strategii biomimetycznych może okazać się korzystne dla przyszłego rozwoju zarówno już dobrze rozwiniętych technologii, jak i w nowych, pojawiających się rozwiązaniach w sektorze PV, a także sprostać kluczowym wyzwaniom w tej dziedzinie, poprzez zapewnienie skutecznych sposobów poprawy wydajności urządzeń.
Rys. 1. Ogniwo perowskitowe inspirowane okiem muchy, publikacja: https://solarmagazine.com/compound-eyes-and-breakthrough-in-solar-pv-perovskites-production/
[źródło zdjęcia Pinterest: https://pin.it/4HadVax]
