Tylko ze stosunkowo niewielkiej części promieniowania słonecznego padającego na ogniwa fotowoltaiczne produkowana jest energia. Reszta energii jest tracona, głównie w postaci ciepła. Naukowcy z Politechniki Warszawskiej pracują nad materiałem o ujemnym współczynniku załamania, który nie tylko zredukuje nagrzewanie się ogniwa, ale również pozwoli na zwiększenie efektywności uzyskiwania energii.

Wstępne badania pokazały, że odpowiednio zaprojektowany metamateriał hiperboliczny może pełnić dla ogniwa fotowoltaicznego rolę filtra krawędziowego, które odbija promieniowanie podczerwone. A to ono prowadzi do nagrzewania ogniwa i, w konsekwencji, do spadku jego sprawności energetycznej.

– W naszym projekcie dokonujemy zarówno pełnej symulacji parametrów elektrycznych  i optycznych, jak i weryfikujemy eksperymentalnie to założenie – mówi dr inż. Bartosz Fetliński z Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych, kierownik zespołu badawczego. – Tworzymy strukturę metamateriału hiperbolicznego złożonego z ultracienkich warstw, o grubości rzędu nanometrów. Tak stworzona struktura pozwoli m.in. na uzyskanie filtrów o bardzo ostrej krawędzi, bardzo dobrze filtrujących i mających możliwość uzyskania gwałtownego przejścia od transmisji do absorbcji lub odbicia.

To właśnie te cechy metamateriałów hiperbolicznych skłoniły naukowców do zastosowania ich w panelach fotowoltaicznych.

– Energie fotonów promieniowania podczerwonego są mniejsze niż fotonów światła widzialnego i nie są w ogóle wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej, ale za to są absorbowane przez różne elementy modułu fotowoltaicznego – wyjaśnia dr Fetliński. – Nie ma z tego zysku energetycznego, za to mamy podgrzanie modułu. Jeśli założymy na module fotowoltaicznym taki filtr z metamateriału, przepuszczalność fotonów z tego pożytecznego zakresu jest dobra, a pozostałych, które podgrzewają, możemy się pozbyć.

Czas próby

Weryfikacja eksperymentalna zamodelowanych struktur metamateriałowych jest realizowana przy współpracy z Instytutem Mikroelektroniki i Fotoniki Sieci Badawczej Łukasiewicz (IMiF) oraz Instytutem Fizyki Polskiej Akademii Nauk (IFPAN). Na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych PW prace zespołu badawczego wesprze prof. Robert Mroczyński, który za pomocą rozpylania magnetronowego jest wstanie wytworzyć część z warstw.

– Do tej pory metamateriały hiperboliczne nie były w taki sposób wykorzystywane, więc nasz projekt cechuje wysoka innowacyjność naukowa – mówi dr Fetliński. – W związku z tym w literaturze nie ma wiarygodnych charakterystyk tych materiałów, które mogłyby zostać użyte w naszym projekcie. Zdarza się tak, że właściwości są opisane w przypadku zastosowania jednej metody nakładania warstw, a nie ma już opisu przy zastosowaniu innej.

Obecnie finalizowany jest zakup podłóż, które mają dla projektu kluczowe znaczenie. Ich jakość wpływa bowiem na jednorodność wytwarzanych metamateriałów hiperbolicznych, które składają się z cienkich warstw, wrażliwych na właściwości podłoża.

– Zaproponowane przez nas rozwiązanie charakteryzuje się prostotą koncepcyjno-implementacyjną oraz można je zastosować w dowolnych, komercyjnie dostępnych modułach PV, co stanowi o jego istotnej przewadze konkurencyjnej w stosunku do dotychczas proponowanych rozwiązań, wymagających istotnych ingerencji w strukturę ogniwa czy modułu – mówi dr Fetliński.

Zespół badawczy tworzą: dr inż. Bartosz Fetliński, dr inż. Bartosz Janaszek, mgr inż. Marcin Kieliszczyk; dr hab. inż. Robert Mroczyński, prof. PW.

Projekt „Zastosowanie metamateriału hiperbolicznego na potrzeby zwiększenia uzysku energetycznego modułów fotowoltaicznych” jest finansowany w ramach realizowanego na Politechnice Warszawskiej programu „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza”. Pomysł otrzymał wsparcie w konkursie Centrum Badawczego POB Technologie fotoniczne.