Štruktúra motýlích krídel dokáže výrazne zvýšiť efektivitu solárnych panelov

 

KĽÚČOVÉ ZISTENIA:

• Krídla čierneho motýľa pohlcujú takmer všetko svetlo vďaka unikátnej fyzikálnej mikroštruktúre povrchu.

• Precízna aplikácia tohto špecifického vzoru na kremíkové vrstvy znížila povrchovú odrazivosť na desať percent.

• Zvýšená celková absorpcia slnečného žiarenia priamo viedla k nárastu prúdu o 66 percent.

Tmavé a hlboké sfarbenie krídel ázijského čierneho motýľa nie je vo svojej podstate priamym dôsledkom prítomnosti tmavého pigmentu v jeho drobnom tele. Jeho farba vyplýva výlučne z fyzikálnej štruktúry samotného povrchu, ktorá sa zblízka skladá z tisícov mikroskopických šupiniek tvoriacich súvislú ochrannú vrchnú plochu.

Tieto drobné šupinky majú veľmi výrazne pórovitú 3D textúru tvorenú zložitou sústavou malých otvorov a hrebeňov, ktorá dokáže efektívne zachytávať všetko dopadajúce žiarenie. Vďaka tejto zložitej architektúre prepustí krídlo dovnútra podstatne oveľa viac slnečného svetla, než dokáže odraziť smerom naspäť do voľného priestoru. Upravený povrch úspešne absorbuje až 99,94 percenta všetkých prítomných svetelných lúčov, a preto sa krídla javia ľudskému oku ako matne čierne.

Medzinárodný vedecký tím využil tieto vlastnosti pri návrhu účinnejších povrchov na produkciu fotovoltickej energie. V počítačovej simulácii výskumníci modelovali extrémne tenké kremíkové pláty. Kremík je najbežnejším materiálom na absorpciu svetla v komerčných solárnych článkoch. Povrch plátov následne digitálne upravili tak, aby napodobňoval mikroštruktúru šupiniek deviatich druhov pralesných čiernych motýľov.

Cieľom experimentu bolo minimalizovať množstvo svetla odrazeného od kremíka a dostať do panela čo najviac dostupných fotónov. Laboratórne testy ukázali, že odrazivosť upraveného materiálu klesla z viac ako 35 percent na 10 percent. Pokles odrazivosti zvýšil množstvo svetla, ktoré kremíkové pláty dokázali spracovať a energeticky využiť.

V modelovom testovacom prostredí vďaka tejto úprave stúpol skratový prúd, teda maximálny elektrický prúd generovaný článkami, až o 66 percent. Použitie takýchto biomimetických vzorov by výrobcom umožnilo lepšie využívať slnečné žiarenie aj pri extrémne tenkých vrstvách absorbujúceho materiálu.

Už dnešné solárne panely dosahujú o niečo vyššiu účinnosť než klasické modré panely, pretože využívajú drahší monokryštalický kremík s mierne lepšou schopnosťou absorbovať svetlo. Ani s využitím najpokročilejších biologických povrchových štruktúr však solárne panely nemôžu dosiahnuť stopercentnú účinnosť premeny energie.

Okrem strát vznikajúcich pri premene svetla na elektrinu znižuje účinnosť komerčných zariadení aj rastúca prevádzková teplota okolitého prostredia. Bežne dostupné fotovoltické články strácajú 0,3 až 0,5 percenta výkonu s každým stupňom Celzia nad ideálnou laboratórnou prevádzkovou teplotou 25 stupňov. Časť nezachytenej slnečnej energie sa preto vždy nezvratne mení na odpadové teplo.

PREČO JE TO DÔLEŽITÉ: Použitie biologických nanovzorov výrazne znižuje optické straty fotovoltických článkov a otvára cestu k tenším a výkonnejším komerčným solárnym panelom.

Zdroj: bgr.com foto: ChatGPT