Raport „Energia odnawialna w Europie 2016”, opublikowany przez Europejską Agencję Środowiska, nie pozostawia złudzeń: w Unii Europejskiej spada wykorzystanie paliw kopalnych i rośnie rola odnawialnych źródeł energii. Ten trend będzie się pogłębiał. I choć w Polsce panele fotowoltaiczne nie są jeszcze tak popularne jak choćby w Norwegii czy Wielkiej Brytanii, to właśnie tu powstała technologia, która ma szansę zrewolucjonizować rynek fotowoltaiki.
Nie widać tego na pierwszy rzut oka, ale każdy panel fotowoltaiczny składa się z wielu różnych warstw, które ułożone są kolejno na sobie jak w kanapce. Każda z tych warstw pełni inną funkcję. Pierwsze dwie, które mają stanowić transparentną elektrodę, powinny być jak najbardziej przezroczyste i jak najlepiej przewodzić prąd. Obecnie w panelach słonecznych te dwie pierwsze warstwy mają całkiem niezłą transparentność i całkiem niezłe przewodnictwo. Polscy naukowcy z XTPL odkryli jednak sposób na to, aby „całkiem” zamieniło się w „bardzo dobrze”.
Muzyka dla cząsteczek
Ta przemiana może się dokonać dzięki zastosowaniu drukowanych ultracienkich linii przewodzących prąd elektryczny. Na pomysł ich opracowania wpadło dwóch młodych polskich naukowców, którzy po latach doświadczeń i pracy w międzynarodowych placówkach naukowych postanowili przekuć swoją wiedzę i idee w sukces biznesowy. Spółka XTPL powstała w 2015 roku i zajmuje się wytwarzaniem transparentnych optycznie i przewodzących elektrycznie warstw (ang. Transparent Conductive Films – TCF). Już po kilku miesiącach prac w garażowym laboratorium opracowała i opatentowała swoją technologię.
Do czego ona służy? Technologia ta umożliwia wytworzenie ultraprecyzyjnych struktur metodą, która jest skalowalna i może być tania. Mówiąc obrazowo, naukowcy tworzą i nadrukowują na folię lub szkło siateczkę bardzo cienkich drucików, które są stukrotnie węższe od ludzkiego włosa i przewodzą prąd. Przy tej wielkości linii światło przestaje się od nich odbijać, stają się zatem transparentne. Jednocześnie przewodzą prąd. Materiał – szkło lub folia – na który nadrukowywana jest tego typu siatka, pozostaje także przezroczysty i przewodzi prąd elektryczny.
Sami twórcy technologii porównują swoje rozwiązanie do tańca w rytm muzyki. – Tancerzami są tutaj malutkie metalowe cząsteczki, których wielkość jest około 1000 razy mniejsza od szerokości ludzkiego włosa. Muzyką natomiast – zewnętrzne pole elektryczne lub magnetyczne. My jesteśmy w stanie sprawić, by te cząsteczki złapały się za ręce i ustawiły w rządku. Kiedy zastygną, powstają z nich bardzo precyzyjne struktury, które mogą znaleźć różne zastosowanie. Dotąd ich wytworzenie było bardzo drogie, a wykorzystywano je głównie w przemyśle kosmicznym lub w drogich i skomplikowanych mikroprocesorach. My możemy to zmienić – tłumaczy dr Filip Granek, współtwórca i CEO firmy XTPL.
Nowinka czy rewolucja, czyli kto skorzysta na nowej technologii?
Przezroczyste przewodniki, o których mowa, mogą już za kilka lat stać się elementami ogniw słonecznych i wyświetlaczy. Dzięki zastosowaniu technologii XTPL ogniwa te mogą być bardziej wydajne, tańsze i wytwarzane na elastycznych podłożach. Wyświetlacze natomiast mogą zużywać mniej energii i charakteryzować się większą jaskrawością obrazu i kolorów. Producenci będą też mogli wytwarzać ekrany o większej przekątnej.
– Obecnie na rynku TCF dominują warstwy ITO (ang. Indium Tin Oxide). Przez wiele lat ITO stanowiło standard i spełniało swoją funkcję w większości zastosowań. Jednak ze względu na niestabilne ceny indu, ograniczone zasoby oraz dynamiczny rozwój elektroniki elastycznej ITO przestało być wystarczające. Obecnie cena warstw ITO to ok. 18–22 USD/m2, co stanowi istotny udział w całkowitym koszcie wytworzenia ogniwa lub wyświetlacza. Producenci szukają zatem tańszych rozwiązań, które jednocześnie pozwolą im się uniezależnić od kontrolowanego głównie przez Chiny pierwiastka ind – tłumaczy dr Filip Granek.
Na te czynniki kształtujące rozwój rynku nakładają się oczekiwania nabywców elektroniki domowej, którzy zostali przyzwyczajeni do ciągłej poprawy parametrów sprzętu bez wzrostu ceny, oraz ciągłe prace nad zwiększaniem wydajności ogniw fotowoltaicznych. Z uwagi na swoją krystaliczną strukturę warstwy ITO pękają przy ich uginaniu, co uniemożliwia dostosowanie ich do rosnącego rynku elastycznych ogniw słonecznych.
Badania i testy laboratoryjne potwierdzają, że technologia XTPL ma wyższą od ITO transparentność, wyższą od ITO elastyczność oraz wyższą od ITO rezystencję elektryczną. Mówiąc bardziej zrozumiale, pozwoli ona na podniesienie wydajności oraz obniżenie kosztów produkcji ogniw słonecznych. Zaś w zakresie produkcji wyświetlaczy technologia umożliwi obniżenie poboru prądu przez dany wyświetlacz oraz poprawi wizualne własności nasycenia obrazu kolorem.
Nowa energia nie tylko dla Europy
Technologia XTPL interesuje dziś przede wszystkim firmy zajmujące się produkcją paneli fotowoltaicznych. Liczba wykorzystywanych paneli słonecznych na całym świecie stale rośnie, podobnie jak ich udział w dostawach energii. Kolejne europejskie kraje – nawet tak pochmurne jak Wielka Brytania – dołączają do światowej czołówki wytwórców energii ze słońca. Niebawem będą mogły skorzystać z technologii, która obniży koszty produkcji paneli słonecznych.
– Zastosowanie tej technologii jest globalne. My jako XTPL nie dostarczamy jednak gotowych produktów końcowych, ale jeden z ich elementów, zatem to nie od nas, lecz od producentów zależy, jak wykorzystają naszą technologię. Należy pamiętać, że rozwiązanie, jakie opracowujemy, obejmuje jedynie wycinek całego procesu technologicznego do wytwarzania ogniw słonecznych czy wyświetlaczy. Naszym celem jest dostarczenie producentom tychże urządzeń końcowych metody, która umożliwi im znaczącą poprawę parametrów jednego z kluczowych komponentów. Nie od dziś poszukują oni tego typu rozwiązań, zatem szansa, że zastosują technologię bardzo szeroko, jest duża. XTPL wpisuje się w dobrze zidentyfikowaną potrzebę rynkową w wymienionych branżach – mówi Filip Granek.
Metoda opracowana przez XTPL pozwala wytwarzać takie warstwy, które podczas wyginania nie będą traciły swoich własności. Zatem rozwiązanie XTPL w pewnym zakresie umożliwia producentom ogniw słonecznych czy wyświetlaczy przechodzenie na elastyczne podłoża. Pamiętajmy jednak, że również inne składowe komponenty w budowie ogniw słonecznych i ekranów muszą zostać dostosowane do podłoży elastycznych. Dziś technologia na całym świecie idzie już w tym kierunku, zatem producenci dostaną niebawem do rąk wszelkie niezbędne elementy do stworzenia w pełni elastycznych ekranów i ogniw słonecznych.
To oznacza jedno: technologia XTPL pozwoli na wytwarzanie ogniw słonecznych nowego typu. Dodatkowo obniży koszty ich produkcji i sprawi, że staną się one wydajniejsze. Taka kombinacja benefitów może wpłynąć na upowszechnienie się wykorzystania energii płynącej z paneli słonecznych na całym świecie.
Wyniki badań laboratoryjnych i plany rozwoju technologii przekonały już wielu producentów na całym świecie. Spółka XTPL otrzymała kilka listów intencyjnych, w tym jeden od największego wytwórcy modułów fotowoltaicznych – Trina Solar. Ten notowany na nowojorskiej giełdzie potentat branży fotowoltaicznej śledzi i analizuje nowe technologie, które mogą wpłynąć na powstawanie, rozwój i wydajność paneli słonecznych. Przyjrzał się także opracowanej przez polskich naukowców technologii XTPL i w liście intencyjnym potwierdził poważne zainteresowanie firmy wynalazkiem.
– Technologia XTPL umożliwiająca drukowanie tak wąskich elektrycznie przewodzących linii może mieć znaczący wpływ na globalną technologię produkcji krzemowych ogniw słonecznych, ponieważ umożliwi wyraźną redukcję strat mocy związanych z metalizacją tychże ogniw słonecznych – mówi dr Pierre Verlinden, wiceprezes oraz główny naukowiec w firmie Trina Solar.
Polscy naukowcy potrzebują jeszcze 2 lat na przeskalowanie technologii z poziomu laboratoryjnej weryfikacji do gotowości do masowych wdrożeń. Później wszystko będzie zależało od producentów rozwiązań końcowych – to oni zadecydują o tym, kiedy pierwsze produkty pojawią się na rynku.
ODBIORCY TECHNOLOGII XTPL:
- Producenci wyświetlaczy (70% rynku TCF)
- Producenci ogniw fotowoltaicznych (30% rynku TCF)
- Producenci szkła
- Inni, np. duże ekrany dotykowe, e-papier, OLED, urządzenia elastyczne
Firma XTPL rozwija przełomową technologię ultraprecyzyjnego drukowania szerokiej gamy nanomateriałów. Chroniona zgłoszeniem patentowym technologia XTPL jest innowacyjna w skali globalnej i pozwala na wytwarzanie linii o szerokości 400 nm, czyli ponad 100 razy węższych niż standardowo stosowane techniki druku cyfrowego czy sitodruku.