Druk 3D i ogniwa słoneczne: rewolucja, która już się zaczęła

Ogniwa słoneczne z drukarki 3D – jak druk 3D zmienia oblicze fotowoltaiki

Kiedy Aleksander Becquerel odkrywał zjawisko fotowoltaiczne w 1839 roku, prawdopodobnie nie wyobrażał sobie, że niemal dwa stulecia później ludzie będą… drukować ogniwa słoneczne. Dziś nie tylko produkujemy energię elektryczną ze słońca – potrafimy ją uzyskać z urządzeń, które możemy wydrukować warstwa po warstwie, używając do tego ploterów przypominających biurowe drukarki.
W tym artykule przyjrzymy się, czym są ogniwa słoneczne drukowane w 3D, jak działają, co mogą zmienić – i dlaczego warto o nich mówić właśnie teraz.

Czym są ogniwa słoneczne drukowane w 3D ?

Tradycyjne ogniwa fotowoltaiczne tworzy się głównie z krzemu – sztywnego, kruchego i wymagającego wysokotemperaturowej produkcji. Tymczasem ogniwa drukowane w 3D to cienkie, elastyczne struktury wykonane z materiałów organicznych lub perowskitów. Zamiast dużych fabryk, można je tworzyć na specjalnych drukarkach warstwowych – czasem nawet na biurku.

Proces przypomina druk atramentowy. Nakładane są kolejne warstwy: elektroda, warstwa transportująca elektrony, warstwa aktywna, kolejne elektrody. Taki zestaw wystarczy, by złapać światło i przekształcić je w prąd.

Materiały używane w druku ogniw słonecznych to m.in.:

• Perowskity – nowoczesne materiały krystaliczne o wysokiej wydajności.
• Polimery organiczne – pozwalają tworzyć cienkie, giętkie struktury.
• Barwniki – czyli barwnikowe ogniwa słoneczne (DSSC – Dye-Sensitized Solar Cells), które wykorzystują procesy zbliżone do fotosyntezy.

Barwnikowe ogniwa słoneczne – czyli jak rośliny zainspirowały inżynierów

Barwnikowe ogniwa słoneczne, znane jako ogniwa Gräetzel’a, to fascynująca technologia opracowana w latach 90. Ich działanie przypomina naturalną fotosyntezę – barwnik absorbuje światło słoneczne i przekazuje elektrony do tlenku tytanu, tworząc prąd.

Cechy charakterystyczne:

• Działają dobrze przy rozproszonym świetle (np. w pomieszczeniach).
• Są półprzezroczyste – idealne do montażu na szybach.
• Mogą być drukowane – ich struktura sprzyja produkcji warstwowej.
• Mogą być tanie – materiały używane są powszechnie dostępne.

Ciekawostka

Niektóre barwnikowe ogniwa produkowane są z wykorzystaniem barwników naturalnych, np. z jagód czy buraków. To świetny przykład biomimetyki w technologii.

Dlaczego druk 3D ogniw słonecznych to przełom technologiczny ?

Przyjrzyjmy się zaletom ogniw słonecznych drukowanych w 3D:

1. Lekkie i elastyczne

Drukowane ogniwa są tak cienkie i lekkie, że można je nakleić na plecak, namiot albo okno. W odróżnieniu od sztywnych paneli, dostosowują się do powierzchni.

2. Niski koszt i lokalność produkcji

Technologia druku 3D pozwala produkować ogniwa lokalnie, bez potrzeby importowania ciężkich komponentów. To szczególnie ważne dla krajów rozwijających się, wysp, obszarów poza siecią energetyczną.

3. Zrównoważony rozwój

Niektóre tusze do drukowania ogniw bazują na materiałach organicznych, a cały proces generuje mniej odpadów i zużywa mniej energii niż klasyczna produkcja krzemowa.

A co z efektywnością i trwałością ?

To wciąż największe wyzwania. Drukowane ogniwa mają obecnie niższą sprawność (ok. 10–15%) niż krzemowe (do 22%), a ich trwałość bywa ograniczona przez wpływ wilgoci i UV. Ale w laboratoriach na całym świecie trwają prace nad poprawą parametrów – i każdego roku widać postęp.

Cecha	Klasyczne ogniwa fotowoltaiczne (krzemowe)	Drukowane ogniwa (organiczne, perowskitowe, barwnikowe)
Materiał	Krzem	Polimery, perowskity, barwniki
Produkcja	Energochłonna, w wysokiej temperaturze	Druk 3D lub „roll-to-roll”, niska temperatura
Sztywność	Sztywne, ciężkie	Elastyczne, lekkie
Trwałość	25–30 lat	5–15 lat (obecnie)
Efektywność	18–22%	10–20% (ciągły rozwój)
Zastosowanie	Dachy, farmy słoneczne	Tkaniny, okna, przenośna elektronika
Środowisko	Trudny recykling	Możliwy recykling, niska emisja w produkcji

Ogniwa słoneczne z drukarki 3D – zastosowania, które już dziś robią wrażenie

• Budynki zero-energetyczne – fasady (nawet i okna ) okna pokryte elastycznymi ogniwami – jak powyżej.
• Tkaniny solarne – ubrania lub torby ładujące smartfony.
• Internet rzeczy (IoT) – miniaturowe czujniki zasilane światłem wewnętrznym.

Ciekawostki, które pokazują potencjał tej technologii

🔬 W 2023 roku naukowcy z Korei Południowej wydrukowali ogniwa na… papierze. Elastyczne, lekkie, działały nawet po zgięciu.

🌞 Niektóre modele są tak cienkie, że można je przykleić do dronów czy balonów meteorologicznych, zasilając je na dużych wysokościach.

🖨️ Technologia „roll-to-roll” pozwala drukować metry kwadratowe ogniw na taśmie – jak gazety. To pierwszy krok do produkcji przemysłowej.

Potencjał ekologiczny i społeczny

🌍 Zrównoważony rozwój

• Drukowane ogniwa mogą być produkowane lokalnie, co zmniejsza emisje związane z transportem.
• Mniejszy ślad węglowy produkcji – procesy niskotemperaturowe, mniej odpadów.
• Możliwość użycia ekologicznych tuszy, w tym biotuszów na bazie organicznej.

⚡ Energetyczna sprawiedliwość

• W krajach rozwijających się czy na terenach off-grid, można drukować ogniwa na miejscu, np. w mobilnych laboratoriach.
• To technologia, która demokratyzuje dostęp do energii.

Dlaczego warto to śledzić rozwój tej technologii ?

Drukowane ogniwa słoneczne mogą stać się symbolem nowej generacji zielonej technologii: przystępnej, lokalnej, zrównoważonej. Choć dziś są jeszcze niszowe, ich rozwój może odmienić sposób, w jaki myślimy o produkcji energii – nie jako o inwestycji przemysłowej, lecz jako o czymś, co można tworzyć na żądanie, tam gdzie potrzeba.

Ogniwa słoneczne z drukarki 3D nie zastąpią od razu klasycznych paneli na dachach, ale otwierają drzwi do czegoś znacznie większego: świata, w którym każdy może wytwarzać energię – samodzielnie, ekologicznie, lokalnie. Jak pokazuje historia, wielkie przełomy często zaczynają się od małych, niedoskonałych prototypów. A drukowane ogniwa to bez wątpienia jedno z najbardziej obiecujących ogniw (nomen omen!) tej ewolucji.

Wyzwania i kierunki rozwoju

Nie wszystko jednak jest różowe. Główne wyzwania to:

• Trwałość i odporność na czynniki atmosferyczne.
• Stabilność materiałów organicznych i perowskitów.
• Standaryzacja i certyfikacja jakości.

Ale postęp jest szybki. Prace nad nowymi kompozycjami, barierami ochronnymi czy technikami druku trwają na całym świecie – od MIT, przez ETH Zurich, po polskie uczelnie techniczne.