1 of 9 24/7/2012 2:36 µµ Science Μπορούν να µας σώσουν τα φωτοβολταϊκά; Σε µια χώρα µε άπλετο ήλιο όπως η Ελλάδα φαντάζει αυτονόητο ότι πρέπει να ποντάρουµε «τα ρέστα µας» στην ηλιακή ενέργεια. Τι είναι αυτό που µας κρατάει πίσω και τι υπόσχονται οι νέες τεχνολογίες; Καφαντάρης Τάσος ΗΜΟΣΙΕΥΣΗ: 22/07/2012, 05:45 ΤΕΛΕΥΤΑΙΑ ΕΝΗΜΕΡΩΣΗ: 22/07/2012, 05:45 Ο χάρτης κατανοµής της ηλιοφάνειας στην Ευρώπη. Η Κρήτη και το Αιγαίο εισπράττουν «κιλοβάτ Σαχάρας» Υπάρχουν πολλοί άνθρωποι - τουρίστες κυρίως - που αναρωτιούνται γιατί µε τόσο ήλιο έχουµε ακόµη... περισσότερες διαφηµιστικές πινακίδες στις ταράτσες µας από φωτοβολταϊκά. Αλλά υπάρχουν και πολλοί Ελληνες που επένδυσαν στα φωτοβολταϊκά και... δεν θέλουν να τους µιλούν γι' αυτά. Η παραδοξότητα αυτή έχει τις «γραφικές» οικονοµικές εξηγήσεις της, αλλά και σε διεθνές επίπεδο εύλογα αιωρείται το ερώτηµα: εφόσον µας λένε ότι η ηλιακή ενέργεια που φθάνει στη Γη είναι 6.000 φορές µεγαλύτερη της ενέργειας που καταναλώνουν όλοι µαζί οι άνθρωποι (89 Petawatt έναντι 15 Terawatt) και ότι η ηλιακώς παραγόµενη ηλεκτρική ενέργεια έχει την υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα (170 Watt ανά τετραγωνικό µέτρο) από όλες τις ανανεώσιµες πηγές ενέργειας, γιατί η εκµετάλλευσή της παραµένει ισχνή; Οπως θα σας πει κάθε «ενεργειακός σύµβουλος», η συνταγή επιτυχίας µιας φωτοβολταϊκής επένδυσης είναι γινόµενο της ηλιοφάνειας, της επιφάνειας κάλυψης και της αποδοτικότητας των στοιχείων. Με την ηλιοφάνεια να είναι από σταθερή ως αύξουσα και την τιµή των φωτοβολταϊκών µονάδων να πέφτει συνεχώς - 60% µείωση από το 2008 ως το 2011 - η σηµασία της έκτασης που θα καλύψουµε µειώνεται. Αρα, για να φθάσουµε στην απάντηση, θα έλεγε κανείς ότι µας µένει να βρούµε τι κρατάει χαµηλή την αποδοτικότητα των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Tο όριο Shockley-Queisser Θεωρητικά, από τη µεριά της Φυσικής, η απάντηση υπάρχει και έχει όνοµα: το όριο Shockley-Queisser. Τι είναι αυτό το όριο; Είναι η θεωρητικώς µέγιστη απόδοση ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου, που µέτρησαν το 1961 οι αµερικανοί εφευρέτες των ηµιαγωγών William Shockley και Hans Queisser. Προκειµένου για φωτοβολταϊκά
2 of 9 24/7/2012 2:36 µµ φτιαγµένα από πυρίτιο, µε µονή ένωση p-n και διάκενο ζώνης 1,1 ev (ηλεκτρονιοβόλτ), η µέγιστη αυτή απόδοση είναι κάπου 33,7%. ηλαδή, από την όλη ηλιακή ακτινοβολία που φθάνει σε ένα φωτοκύτταρο (κάπου 1.000 W/m²) µόνο το 33,7% µετατρέπεται σε ηλεκτρισµό (337 W/m²). Και πώς... ξεπερνιέται Στην πράξη, τα κρυσταλλικά φωτοκύτταρα µονής ένωσης του εµπορίου έχουν απόδοση της τάξης του 12%-18% και ελάχιστα - όπως της καλιφορνέζικης Sunpower - «πιάνουν» απόδοση 19,5%. Tα πανάκριβα φωτοβολταϊκά τριπλής ένωσης της Sharp και της Boing Spectrolab κατορθώνουν να έχουν απόδοση ενεργειακής µετατροπής 35,8 και 40,7%, αντίστοιχα. Με τη χρήση συγκεντρωτών - που αυξάνουν ακόµη περισσότερο το κόστος - το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιµης Ενέργειας των ΗΠΑ (NREL) άγγιξε τον Απρίλιο του 2011 την απόδοση του 43,5%. Από αυτή λοιπόν τη συνδυαστική ανεπάρκεια τεχνολογίας - κόστους παραγωγής πηγάζει παγκοσµίως η ανάγκη πολιτικών επιδότησης των επενδύσεων σε φωτοβολταϊκή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, που στα καθ' ηµάς µεταφράστηκε σε γαϊτανάκι γραφειοκρατικών άθλων και αθλιοτήτων. Το ζητούµενο επίτευξης τεχνολογιών που θα ξεπεράσουν αυτό το φράγµα στην απόδοση των φωτοβολταϊκών απασχολεί πλήθος επιστηµόνων παγκοσµίως. Είναι χαρακτηριστική η ηµερίδα που διοργανώνεται την επόµενη Κυριακή, 29 Ιουλίου 2012, στο Caltech (Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνιας) υπό τον τίτλο «Επανακαθορίζοντας τα όρια της φωτοβολταϊκής απόδοσης». ιαβάζοντας το πρόγραµµά της βλέπουµε ότι θα συµµετέχουν ερευνητές των πανεπιστηµίων και των κυβερνητικών υπηρεσιών «για να εξετάσουν νέα υλικά και διεργασίες που θα µπορούσαν να ξεπεράσουν το όριο Shockley-Queisser». Ωστε... υπάρχουν λύσεις; Ναι, και µάλιστα διαφόρων ειδών. Στη συνέχεια θα τις εξετάσουµε υπό το πρίσµα της επικαιρότητας, αλλά και µε τη βοήθεια ενός κατ' εξοχήν ειδικού. Με τη µατιά του ειδικού Προκειµένου να έχουµε την άποψη κάποιου που βρίσκεται στην αιχµή της σχετικής τεχνολογίας, απευθυνθήκαµε στον Γεράσιµο Κωνσταντάτο, τον έλληνα ερευνητή που ανακοίνωσε - τον Μάιο του 2012 - ότι κατάφερε να αυξήσει τη φωτοευαισθησία του γραφενίου κατά 8 τάξεις µεγέθους (βλ. το σχετικό άρθρο µας στο www.tovima.gr/science/article/?aid=458493). Παραθέτουµε στη συνέχεια το απόσταγµα όσων µας είπε. Ο Ηλιος είναι αναµφισβήτητα µια διαρκής και ισχυρή πηγή ενέργειας για τον πλανήτη µας. Αρκεί να πούµε ότι µέσα σε µία µόνο ώρα παρέχει αρκετή ενέργεια για να καλύψει τις ετήσιες ανάγκες όλης της Γης. Αυτό σηµαίνει βασικά ότι το να καλύψουµε µόνο το 0,1% της επιφάνειας της Γης µε ηλιακά κύτταρα θα ήταν αρκετό για να καλύψουµε τις παγκόσµιες ανάγκες µας σε ηλεκτρική ενέργεια. Γιατί αυτό δεν έχει συµβεί ακόµη; Η απάντηση βρίσκεται στα οικονοµικά του προβλήµατος: Για να είναι οικονοµικά βιώσιµη η παραγωγή ενέργειας από φωτοβολταϊκά, το κόστος της θα πρέπει να ανέρχεται σε λιγότερο από ένα δολάριο ανά Watt. Αυτό συνεπάγεται παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας καθ' όλη τη διάρκεια ζωής του φωτοκυττάρου µε κόστος της τάξης των 5-10 σεντ ανά κιλοβατώρα (KWh), ώστε να είναι στο ίδιο επίπεδο µε το τρέχον κόστος της παραγόµενης από υδρογονάνθρακες ηλεκτρικής ενέργειας. Οι µέχρι τούδε περιβαλλοντικές πολιτικές έχουν υποχρεώσει τις κυβερνήσεις να επιδοτούν την παραγωγή ενέργειας µε φωτοβολταϊκά και την παραγωγή φωτοβολταϊκών (κυρίως πυριτίου) που έχουν κανονικά κόστος παραγωγής ανά Watt περίπου 2-3 φορές
3 of 9 24/7/2012 2:36 µµ υψηλότερο από την τιµή του δικτύου. Αυτό ήταν ένα απολύτως απαραίτητο µέτρο από περιβαλλοντική άποψη, αλλά δεν είναι οικονοµικά βιώσιµο. Συνεπώς, προκύπτει αδήριτη η ανάγκη για τεχνολογίες πιο αποδοτικών και φθηνών φωτοβολταϊκών. Σάντουιτς νανοϋλικών Μεταξύ των τρεχουσών προσπαθειών για χαµηλού κόστους και υψηλής απόδοσης φωτοβολταϊκά, ξεχωρίζουν εκείνες που βασίζονται σε νανοϋλικά. Αυτού του τύπου τα υλικά µπορούν να συντεθούν σε διάλυµα και να εναποτεθούν πάνω σε κάθε είδους υπόστρωµα, άκαµπτο ή εύκαµπτο, πλαστικό ή µεταλλικό, σε χαµηλές θερµοκρασίες (χρησιµοποιώντας παραγωγική διεργασία διέλασης µε ρολά, όπως στην επεξεργασία του αλουµινίου). Μια πτυχή, ωστόσο, κεφαλαιώδους σηµασίας για τα φωτοστοιχεία νανοϋλικών έχει να κάνει µε την πιο αποτελεσµατική χρήση της ηλιακής ενέργειας: Το πυρίτιο - όπως και άλλοι µονοκρυσταλλικοί ηµιαγωγοί - έχουν ένα διάκενο ζώνης (bandgap) το οποίο καθορίζει την ελάχιστη ενέργεια που πρέπει να έχει ένα φωτόνιο προκειµένου να διεγείρει ηλεκτρόνια και να παράγουν ενέργεια. Καθώς το ηλιακό φως φέρνει φωτόνια ευρύτατου ενεργειακού φάσµατος (από την υπεριώδη ως την υπέρυθρη ακτινοβολία), τα φωτόνια µε ενέργειες κάτω από το διάκενο ζώνης του υλικού σπαταλώνται, ενώ τα φωτόνια µε ενέργειες υψηλότερες από αυτό παράγουν ηλεκτρική ενέργεια σε ένα κλάσµα της ολικής τους (η πλεονάζουσα ενέργεια γίνεται θερµότητα). Με την επίτευξη «κβαντορυθµιζόµενων νανοϋλικών» κατορθώσαµε να παρέµβουµε στο διάκενο ζώνης των υλικών: στα πολυµερή το κάνουµε µε τον έλεγχο της µοριακής δοµής τους, ενώ στις «κβαντικές τελείες» απλώς αλλάζοντας το µέγεθος των νανοκρυστάλλων. Τι σηµαίνει αυτό; Οτι θα µπορούµε να δηµιουργούµε αλλεπάλληλες στρώσεις νανοϋλικών µε διαφορετικά διάκενα ζώνης, ώστε αυτό το σάντουιτς να µπορεί να επιτρέπει τη µέγιστη δυνατή αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας (το απόλυτο θερµοδυναµικό µέγιστο είναι περίπου 90%). Κβαντικές κουκκίδες µε «µέση-δαχτυλίδι» Στον επιστηµονικό µαραθώνιο που εκτυλίσσεται για µια τόσο πρωτόγνωρη σάρωση της ηλιακής ενέργειας, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι κολλοειδείς κβαντικές κουκκίδες (quantum dots). Πρόκειται για µικροσκοπικούς νανοκρυστάλλους, της τάξης των 2-10 εκατοµµυριοστών του µέτρου (νανοµέτρων, nm) που έχουν τη µοναδική ιδιότητα να αλλάζουν το διάκενο ζώνης του υλικού τους απλά αλλάζοντας το µέγεθος των κρυστάλλων. Εξαλείφουν δηλαδή την ανάγκη ενσωµάτωσης διαφορετικών και σύνθετων υλικών για να καλύψει κανείς το ευρύ ηλιακό φάσµα. Η ιδέα γεννήθηκε το 2001 από τον καθηγητή στο Πανεπιστήµιο της Καλιφόρνιας Berkeley, Παύλο Αλιβιζάτο, ο οποίος δηµιούργησε το πρώτο φωτοστοιχείο από κβαντική κουκκίδα καδµίου-σεληνίου (CdSe) σε πολυµερές. Τέσσερα χρόνια αργότερα, η ερευνητική οµάδα του Ted Sargent στο Πανεπιστήµιο του Τορόντο - όπου µετείχε ο Γεράσιµος Κωνσταντάτος - έδειξε ότι χρησιµοποιώντας κβαντικές κουκκίδες θειούχου µολύβδου (PbS) µπορούµε να επεκτείνουµε τη δράση των πολυµερών φωτοστοιχείων στο υπέρυθρο φάσµα. Τώρα, στο ICFO, η οµάδα του έχει εστιάσει το ενδιαφέρον της σε νέα υλικά, για την αντικατάσταση των τοξικών Pb και Cd, και έχει πρόσφατα δείξει - µε άρθρο της στο Nature Photonics - ότι µε την ανάπτυξη µιας ειδικής νανοδοµής µπορούµε να δοµήσουµε φιλικά προς το περιβάλλον νανοφωτοφωλταϊκά.
4 of 9 24/7/2012 2:36 µµ Οι αρχιτέκτονες έχουν αρχίσει ήδη να σχεδιάζουν ενεργειακώς αυτάρκη κτίρια, µε ενσωµατωµένα φωτοβολταϊκά (φωτογραφία από τη Γερµανία) Το µέλλον της ηλιακής αγοράς Στο ερώτηµα «ποια τεχνολογία θα κυριαρχήσει τελικά την αγορά των φωτοβολταϊκών;» η απάντηση που µας έδωσε ο Γεράσιµος Κωνσταντάτος είναι: Αρχικά, αυτή που θα καταφέρει να πιάσει πρώτη το κόστος παραγωγής ενέργειας από υδρογονάνθρακες. Για την ώρα, το προβάδισµα στην κούρσα δείχνουν να έχουν τα φωτοβολταϊκά από πολυκρυσταλλικό πυρίτιο και τα φωτοβολταϊκά από λεπτή µεµβράνη (thin film solar cells) που βασίζονται σε προσµείξεις CIGS (δισεληνίδιο χαλκού, ινδίου και γαλλίου) και CdTe (τελλουριδίου του καδµίου). Μακροπρόθεσµα όµως πιθανότατα κανένα από αυτά δεν θα κυριαρχήσει: Τα στοιχεία από πολυκρυσταλλικό πυρίτιο δεν θα κατορθώσουν να πέσουν στο κόστος παραγωγής (και τοποθέτησης) των στοιχείων από λεπτή µεµβράνη, αλλά και οι τεχνολογίες λεπτής µεµβράνης µε βάση CIGS και CdTe αντιµετωπίζουν το πρόβληµα έλλειψης πρώτης ύλης - δεν υπάρχει αρκετό γάλλιο, τελλούριο ή ίνδιο στον φλοιό της Γης για να φθάσουν στην παραγωγή Τεραβάτ ηλεκτρικής ενέργειας. Συνεπώς, στο όχι πολύ µακροπρόθεσµο µέλλον, η ανάγκη για εξαιρετικά λεπτά, εξαιρετικά ελαφρά, ευέλικτα και χαµηλού κόστους φωτοστοιχεία, που θα βασίζονται σε αφειδώς παρεχόµενα από τον πλανήτη υλικά, θα αναδείξει νέο διεκδικητή της κούρσας. Ενας επιπλέον σηµαντικός παράγοντας που ρυθµίζει τη δυναµική της αγοράς φωτοβολταϊκών έχει να κάνει µε την ποικιλία των εφαρµογών τους. Εκτός από τα γνωστά ήδη φωτοβολταϊκά πάρκα και τα πάνελ στη στέγη, µε τη βοήθεια της νανοτεχνολογίας θα είµαστε σε θέση να αξιοποιήσουµε την ηλιακή ενέργεια και από τους τοίχους των σπιτιών µας, τα παράθυρά τους, το αµάξωµα των αυτοκινήτων µας, ή ακόµα και από τα ρούχα µας και κάθε συσκευή που καταναλώνει ενέργεια στο ύπαιθρο (κινητά τηλέφωνα, φορητοί υπολογιστές, κ.λπ.). Στο πλαίσιο αυτής της πληθώρας εφαρµογών, το µεν άκαµπτο κρυσταλλικό πυρίτιο ή και οι ανόργανες φωτοβολταϊκές µεµβράνες θα καταλάβουν τη µεγάλη µερίδα της αγοράς ηλιακών πάρκων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας µεγάλης κλίµακας, ενώ οι νέες και εξαιρετικά λεπτές και ευέλικτες τεχνολογίες φωτοβολταϊκών (οργανικά, πολυµερή, κβαντικές κουκκίδες ή φωτοευαίσθητη βαφή) θα κυριαρχήσουν στις αστικές και µικρής κλίµακας αγορές - όπως, για παράδειγµα, στα ενεργειακώς αυτάρκη σπίτια, ενώ η διείσδυσή τους στα µεγάλης κλίµακας συστήµατα θα εξαρτηθεί από την επιτυχία της τεχνολογίας αυτής να επιδείξει διάρκεια ζωής παρόµοια µε εκείνη του πυριτίου. Παράθυρο ευκαιρίας για την Ελλάδα
5 of 9 24/7/2012 2:36 µµ Σε αντίθεση µε τη βιοµηχανία ηµιαγωγών ολοκληρωµένων κυκλωµάτων, στην οποία κυριάρχησε το πυρίτιο και τυποποιήθηκε, η φωτοβολταϊκή τεχνολογία δεν δείχνει να ακολουθεί συγκεκριµένο πρότυπο. Αυτό διότι µοιάζει απίθανο ένα και µόνο ηµιαγώγιµο υλικό να καλύψει τις παγκόσµιες ανάγκες. Μια τέτοια εξέλιξη είναι πολύ σηµαντική, διότι θα επιτρέψει τον άγριο ανταγωνισµό των διαφόρων τεχνολογιών και θα κατεβάσει το κόστος, µε απόρροια το σίγουρο όφελος για τον τελικό χρήστη - την κοινωνία. Αυτό, σε συνδυασµό µε το ότι βρισκόµαστε στα πρώτα στάδια ανάπτυξης φωτοστοιχείων µε νανοτεχνολογία, ανοίγει ένα µοναδικό παράθυρο ευκαιρίας για χώρες που δεν συγκαταλέγονταν στους µεγάλους παίκτες της προηγούµενης τεχνολογικής επανάστασης. Για την Ελλάδα ειδικά υπάρχουν πολύ συγκεκριµένοι λόγοι για τους οποίους η χώρα µας πρέπει να αρπάξει αυτή την ευκαιρία και να την κάνει υπόθεση νίκης, όχι µόνο για έρευνα και ανάπτυξη αλλά και για βιοµηχανική εκµετάλλευση. Πρώτος λόγος: Η Ελλάδα βρίσκεται σε ένα από τα σηµεία µέγιστης ηλιοφάνειας του πλανήτη, µε αποτέλεσµα η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας να είναι πιο βιώσιµη οικονοµικά από ό,τι στις βορειότερες χώρες. Οπότε, τα φωτοβολταϊκά θα έπρεπε να αναδειχθούν σε στρατηγική επένδυση για τη χώρα µας και να καταστρωθεί ένα στρατηγικό σχέδιο έρευνας σε αυτά. εύτερος λόγος: Η Ελλάδα έχει αποδείξει πως διαθέτει ένα πολύ ισχυρό πνευµατικό δυναµικό στον τοµέα της Χηµείας και της Φυσικής. Αυτά τα δύο πεδία παίζουν σηµαντικό ρόλο στην πρόοδο των νανοεπιστηµών. Οι µηχανικοί µπορούν στη συνέχεια να αναλάβουν τη µετατροπή των νανοεπιστηµών σε νανοτεχνολογίες και να οδηγήσουν στην ανάπτυξη προϊόντων και συσκευών. Τρίτος λόγος: Ενώ οι παραδοσιακές τεχνολογίες φωτοβολταϊκών έχουν πλέον ευρύτατη και κατοχυρωµένη πνευµατική ιδιοκτησία, τα φωτοστοιχεία από νανοτεχνολογία είναι ακόµη στα σπάργανα, επιτρέποντας όχι µόνο την έρευνα µε µεγάλο αντίκτυπο αλλά και - το πιο σηµαντικό - µια γενιά πνευµατικής ιδιοκτησίας στην Ελλάδα. Αυτό είναι ένας κρίσιµος παράγοντας για την προσέλκυση επενδυτών και βιοµηχανικού ενδιαφέροντος. Τέταρτος λόγος: Αντίθετα µε τους παραδοσιακούς ηµιαγωγούς, οι νανοκρύσταλλοι και οι µοριακοί ηµιαγωγοί δεν απαιτούν δαπανηρές εγκαταστάσεις παραγωγής. Μπορούν να συντεθούν σε ένα απλό εργαστήριο χηµείας και οι διατάξεις τους γίνονται µε χαµηλού κόστους τεχνικές εναπόθεσης. Αυτό επιτρέπει το µικρό ύψος επένδυσης για την έναρξη έρευνας και ανάπτυξης στον τοµέα. Υπάρχει, βέβαια, πληθώρα δράσεων που πρέπει να αναληφθούν προκειµένου να συµµετάσχει η Ελλάδα σε αυτό το παγκοσµίως νέο σκηνικό. Η έρευνα και ανάπτυξη στον εν λόγω τοµέα είναι απολύτως διεπιστηµονική: διασχίζει το πεδίο της Χηµείας, της Φυσικής και της Μηχανικής. Επίσης, νέα γνώση και πνευµατική ιδιοκτησία µπορεί να προκύψει στα όριά τους, οπότε σε ερευνητικό επίπεδο - είτε αυτό είναι ερευνητικό ίδρυµα ή πανεπιστήµιο - ένας νέος άξονας θα πρέπει να δηµιουργηθεί, που θα διασχίζει κάθετα τα τµήµατα και τις σχολές. Για παράδειγµα, θα µπορούσαν να δηµιουργηθούν ερευνητικά κέντρα ειδικού σκοπού στον τοµέα της ενέργειας. Αυτό θα δώσει την ευκαιρία σε ερευνητές διαφορετικών επιστηµονικών κλάδων να αλληλεπιδρούν και να αντιµετωπίζουν προβλήµατα που διαφορετικά θα ήταν αδύνατο να προσεγγίσουν. Τελευταίο, αλλά όχι λιγότερο σηµαντικό προκειµένου να αξιοποιηθούν τα οφέλη της έρευνας, είναι να δοθεί έµφαση στη διασφάλιση και την προστασία της πνευµατικής ιδιοκτησίας που θα προκύπτει. ιαφορετικά, όλα τα οφέλη και η γνώση που παράγεται θα παραµείνουν σε ακαδηµαϊκό επίπεδο, χωρίς πρακτική ανταπόδοση στην εθνική
6 of 9 24/7/2012 2:36 µµ οικονοµία και την κοινωνία. Μέσω εκτύπωσης σε ρολό, τα εύκαµπτα φωτοβολταϊκά µεµβράνης γίνονται ακόµη και «ηλιακά κεραµίδια» ΖΗΤΟΥΝΤΑΙ «ΣΑΝΤΟΥΙΤΣ» Η εύκαµπτη λύση Το υψηλό κόστος παραγωγής των πρώτων κρυσταλλικών φωτοβολταϊκών στοιχείων και η ακαµψία τους (άρα υψηλό κόστος τοποθέτησης και απώλειες από θραύσεις) ώθησαν από πολύ νωρίς στην έρευνα για εύκαµπτα στοιχεία µε µαζικό τρόπο παραγωγής. Το αποτέλεσµα ήταν να εµφανισθούν οι φωτοβολταϊκές µεµβράνες που - για ευνόητους λόγους - χρηµατοδοτήθηκαν από εταιρείες όπως η Kodak. Οµως η αποδοχή τους υπήρξε το λιγότερο προβληµατική, ως το 2006, οπότε το υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ χρηµατοδότησε µε 42 εκατοµµύρια δολάρια την εταιρεία Nanosolar. H εταιρεία αυτή είχε ιδρυθεί το 2002 από έναν απόφοιτο του Πανεπιστηµίου Στάνφορντ που είχε βρει µια φθηνή µέθοδο παραγωγής φωτοβολταϊκής µεµβράνης από υλικό τύπου CIGS, τυπώνοντας τα στοιχεία πάνω σε ρολό αλουµινίου όπως περίπου εκτυπώνουν οι µηχανικοί τα σχέδιά τους! Η υπόσχεσή του ήταν πως θα επιτύγχανε τον πολυπόθητο στόχο της ηλιακής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας φθηνότερα από εκείνη της «ΕΗ». Στην πράξη η Nanosolar κατόρθωσε µόλις το προηγούµενο φθινόπωρο να παραδώσει στην Εθνοφρουρά των ΗΠΑ ένα ηλιακό πάρκο των 538 κιλοβάτ και άρχισε - την άνοιξη - να στήνει ένα άλλο τέτοιο πάρκο, του ενός µεγαβάτ, που υποτίθεται ότι θα αποδείξει την επίτευξη του στόχου. Στο µεταξύ, η ανταγωνίστρια ιαπωνική Solar Frontier την πρόφτασε και πήρε παραγγελία από την Καλιφόρνια για πάρκο φωτοβολταϊκών µεµβρανών των 150 µεγαβάτ (η ίδια εταιρεία έχει εγκαταστήσει και στην Ελλάδα - στα Λεχαινά Ηλείας - πάρκο των 100 κιλοβάτ, για ιδιώτη). Χαρακτηριστικό όµως για την τεχνολογία των φωτοβολταϊκών µεµβρανών είναι ότι ενώ πριν από δύο χρόνια η αξία της Nanosolar αποτιµόταν στα 2 δισεκατοµµύρια δολάρια, τώρα εκτιµάται µόλις 50 εκατοµµύρια. Μια τεχνολογική εξέλιξη που µπορεί να ανανεώσει τις προοπτικές των µεµβρανών είναι αυτή που δηµοσιεύθηκε στις 11 Ιουνίου 2012 στο διαδικτυακό επιστηµονικό περιοδικό NanoLettershttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl301435r), από τους ερευνητές των Πανεπιστηµίων Νότιας Καρολίνας και Καλιφόρνιας στο Berkeley, Yiling Yu, Vivian E. Ferry, Παύλο Αλιβιζάτο και Linyou Cao. Οπως δήλωσαν, δηµιούργησαν φωτοβολταϊκά στοιχεία από «σάντουιτς σε νανοκλίµακα» µε ένα υπέρλεπτο (70 νανοµέτρων) ενεργό στρώµα άµορφης σιλικόνης. Το στρώµα αυτό είναι το τµήµα του υλικού που κατ' εξοχήν απορροφά την ηλιακή ενέργεια και, κατά αντιπαράθεση, στις τωρινές φωτοβολταϊκές µεµβράνες του εµπορίου έχει πάχος 300 ως 500 νανόµετρα. Αυτή η λέπτυνση χωρίς θυσίες στην απόδοση θα επιτρέψει την επέκταση της εφαρµογής των
7 of 9 24/7/2012 2:36 µµ φωτοβολταϊκών µεµβρανών. ΚΑΙ ΣΕ ΣΠΡΕΪ Η µαγική βαφή Εχει περάσει περίπου µια πενταετία αφότου πρωτοδόθηκε η υπόσχεση µιας βαφής που θα µετέτρεπε σχεδόν τα πάντα - τοίχους, οροφές και αυτοκίνητα - σε φωτοβολταϊκούς µετατροπείς της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Την τελευταία φορά που αναφερθήκαµε σε αυτήν ήταν τον Ιανουάριο του 2010, όταν η αµερικανική εταιρεία New Energy Technologies κατέθεσε αίτηση για πατέντα αναφορικά µε ένα υλικό, το SolarWindow, που ψεκαζόµενο δηµιουργούσε ένα διαφανές φωτοβολταϊκό επίστρωµα σε κάθε γυάλινη επιφάνεια. Το υλικό αυτό ήταν οργανικό φωτοβολταϊκό διάλυµα και η επικάλυψη που δηµιουργούσε ήταν µια διάταξη λεπτότατων κυττάρων µε φωτοβολταϊκές ιδιότητες, που διασυνδέονταν µεταξύ τους σε µεµβράνη λεπτότερη του µικροµέτρου. Μάλιστα, η εταιρεία υποστήριζε ότι αντλούσε ηλεκτρική ενέργεια όχι µόνον από το ηλιακό φως αλλά και από τον τεχνητό φωτισµό των κτιρίων. Αυτή η «καπνιά» ανάµεσα στα δύο φύλλα γυαλιού είναι φωτοβολταϊκό νανόπλεγµα που... ψεκάστηκε Τώρα, στις 18 Ιουνίου 2012, η New Energy Technologies ανακοίνωσε ότι - συνεργαζόµενη µε το εργαστήριο NREL του υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ - βελτιστοποίησε τη διαδικασία παραγωγής του διαλύµατος ώστε αυτή να γίνεται σε πίεση και θερµοκρασία περιβάλλοντος και ότι επίκειται η έναρξη της µαζικής παραγωγής του. Σηµειωτέον ότι το SolarWindow έχει συγκεντρώσει πλέον δέκα πατέντες. Με το 75% της εξωτερικής επιφάνειας των σύγχρονων κτιρίων να καλύπτεται από υαλοπίνακες, το πεδίο εφαρµογής του σπρέι της New Energy Technologies εµφανίζεται απίστευτα ευρύ. ΘΗΣΑΥΡΟΣ Ο ΑΝΘΡΑΚΑΣ Το ριζοσπαστικό γραφένιο Από το 2004, που ο Κονσταντίν Νοβοσέλοφ ξεκόλλησε µε σελοτέιπ τις πρώτες στιβάδες γραφενίου από µύτη µολυβιού και πήρε - µαζί µε τον Αντρέι Γκέιµ - το Νοµπέλ Φυσικής του 2010, το θαυµατουργό αυτό υλικό δεν έπαψε να µας εκπλήσσει. Το ότι είναι ένα επίπεδο µονοατοµικό στρώµα ατόµων άνθρακα σε εξαγωνική κυψελοειδή διάταξη επιτρέπει στα ηλεκτρόνιά του να πηγαινοέρχονται σχεδόν χωρίς αντίσταση και να απορροφά το φως όλου του φάσµατος. Επίσης, για κάθε φωτόνιο που προσπίπτει επάνω του γεννά ένα ζεύγος ηλεκτρονίου-οπής, που θεωρητικά µπορεί να µετατραπεί σε ηλεκτρικό ρεύµα. Ωστόσο στην πράξη εµφανίζονται δύο ψεγάδια που αµαυρώνουν την εικόνα του «φωτονικά ονειρικού» γραφενίου: απορροφά λιγότερο από το 3% του φωτός που προσπίπτει σε αυτό και η εξαγωγή ηλεκτρικού ρεύµατος από διατάξεις γραφενίου προϋποθέτουν ηλεκτρικές επαφές συγκεκριµένης ασυµµετρίας - που είναι δύσκολο να επιτευχθεί. Οπως ανακοινώθηκε στις 14 Μαΐου στο περιοδικό Nature Nanotechnology, το
8 of 9 24/7/2012 2:36 µµ πρόβληµα της φωτοευαισθησίας του γραφενίου έλυσε η οµάδα του Γεράσιµου Κωνσταντάτου, στο ICFO της Βαρκελώνης, µπολιάζοντάς το µε κβαντικές τελείες θειούχου µολύβδου. Σχεδόν απανωτά, στις 24 Μαΐου 2012, οµάδα ερευνητών από το Πανεπιστήµιο της Φλόριδας ανακοίνωσε (βλ. http://news.ufl.edu/2012/05/24/solarefficiency/) ότι µπολιάζοντας το γραφένιο µε TFSA (trifluoromethanesulfonyl-amide) ανέβασαν την απόδοση µετατροπής της ηλιακής σε ηλεκτρική ενέργεια στο 8,6 % (από 2,9% που ήταν ως τότε). «Η προσθήκη αυτή κάνει το γραφένιο πιο αγώγιµο και αυξάνει το δυναµικό του ηλεκτρικού πεδίου» δήλωσε ο κινέζος φοιτητής που το ανακάλυψε Xiaochang Miao. Οι προοπτικές, λοιπόν, εµφανίζονται λαµπρές, αλλά η αξιοποίηση του γραφενίου στη µαζική παραγωγή νέου τύπου φωτοβολταϊκών στοιχείων προϋποθέτει και την εύρεση ακόµη πιο αποδοτικού τρόπου κατασκευής του. Ως τώρα οι µέθοδοι βιοµηχανικής παραγωγής του, είτε µε εναπόθεση ατόµων άνθρακα πάνω σε ένα υπόστρωµα µετάλλου ή καρβιδίου του πυριτίου, ή µέσω εναπόθεσης ατµών, απαιτούν ακριβό και εξειδικευµένο εξοπλισµό. Ιδού όµως που, στις 20 Ιουνίου 2012, το Ινστιτούτο Φυσικοχηµείας της Πολωνικής Ακαδηµίας Επιστηµών ανακοίνωσε ότι ξεπέρασε το πρόβληµα: µε τη βοήθεια του ιεπιστηµονικού Ερευνητικού Ινστιτούτου της γαλλικής πόλης Λιλ βρήκαν µια µέθοδο παραγωγής τόσο απλή που µπορεί να εφαρµοστεί σε οποιοδήποτε εργαστήριο. Οπως περιέγραψαν, πήραν αρχικά οξείδιο του γραφενίου - που παράγεται στην Ινδία. Στη συνέχεια το ανέµειξαν µε την αρωµατική ουσία TTF (tertathiafulvalene) για να αφαιρέσουν το οξυγόνο και, στην τελευταία φάση, το εµβάπτισαν σε άλλο χηµικό διάλυµα, για να αποµακρύνουν µέσω αντίδρασης την TTF. Ο χάρτης των ορυκτών στον πλανήτη, µε την Κίνα να διαθέτει τα µεγαλύτερα ορυχεία σπάνιων γαιών Τσίγκος υποκαθιστά τις σπάνιες γαίες! Η Κίνα, η οποία ήδη παράγει το 50% των φωτοβολταϊκών στοιχείων παγκοσµίως, προέβη στις 20 Ιουνίου 2012 σε µια ανακοίνωση που συντάραξε τους υτικούς. ήλωσε ότι τα αποθέµατα των σπανίων γαιών στα ορυχεία της µειώνονται πλέον ταχύτατα, οπότε θα επιβάλει περιορισµούς στην εξαγωγή τους. Τι σηµαίνει αυτό; Αρκεί να πούµε ότι έως τώρα από την Κίνα εξαγόταν το 90% των σπανίων γαιών που χρησιµοποιούσε η παγκόσµια ηλεκτρική και ηλεκτρονική βιοµηχανία. Μόνο το οξείδιο του ινδίου που χρησιµοποιείται κατά κόρον στα φωτοβολταϊκά, στις οθόνες υπολογιστών και στα κινητά τηλέφωνα είχε µια προβλεπόµενη αγορά ως το 2016 που εκτιµόταν σε 26,8 δισεκατοµµύρια δολάρια. Τώρα, «τι θα κάνουµε χωρίς την Κίνα»; Μία εβδοµάδα αργότερα, στις 28 Ιουνίου 2012, το βρετανικό Πανεπιστήµιο της Οξφόρδης έδωσε την απάντηση: Το οξείδιο του ινδίου µπορεί να υποκατασταθεί άριστα από το σχεδόν πάµφθηνο οξείδιο του ψευδαργύρου, εφόσον αυτό µπολιαστεί µε πυρίτιο! Το απίστευτο όσο και
9 of 9 24/7/2012 2:36 µµ ανατρεπτικό αυτό επίτευγµα έφεραν εις πέρας η οµάδα των καθηγητών Χηµείας Peter Edwards και Vladimir Kuznetsov. ΠΟΙΟΣ ΕΙΝΑΙ Ο Γεράσιµος Κωνσταντάτος έλαβε το πτυχίο Ηλεκτρολόγου Μηχανικού και Μηχανικού Υπολογιστών από το Πανεπιστήµιο Πατρών το 2001, για να µετακοµίσει το 2002 στο Πανεπιστήµιο του Τορόντο και να πάρει από εκεί το Master s και το Ph.D του το 2004 και το 2008 αντίστοιχα. Από το 2009 βρίσκεται στο Ινστιτούτο Φωτονικών Επιστηµών της Βαρκελώνης (ICFO), όπου ηγείται οµάδας ερευνών στις νανοφωτονικές διατάξεις και τα νανοϋλικά. ηµοσιογραφικός Οργανισµός Λαµπράκη Α.Ε. Το σύνολο του περιεχοµένου και των υπηρεσιών του site διατίθεται στους επισκέπτες αυστηρά για προσωπική χρήση. Απαγορεύεται η χρήση ή επανεκποµπή του, σε οποιοδήποτε µέσο, µετά ή άνευ επεξεργασίας, χωρίς γραπτή άδεια του εκδότη.