O Projekcie

  PDF

Cele i założenia projektu (konsorcjum NEW LOKS)

Polska do 2020 roku zgodnie z dyrektywą Unii Europejskiej ma ograniczyć zużycie energii o 20 %, a wszystkie kraje EU mają w najbliższych latach zaprzestać stosowania żarówek wolframowych. Fotonika ma ogromne znaczenie w bilansie energetycznym kraju gdyż do oświetlania zużywa się 22 procent ogólnie produkowanej energii elektrycznej, w szczególności 11% w gospodarstwach domowych oraz 25% w przemyśle. Standardowa żarówka produkuje głównie ciepło (90% zużywanej energii), a do oświetlenia zużywa prawie siedmiokrotnie więcej energii niż świetlówka. Dioda elektroluminescencyjna (LED) do oświetlenia z tą samą intensywnością zużyje 20 krotnie mniej energii niż klasyczna żarówka. Nowe energooszczędne źródła światła muszą wykorzystać najnowsze osiągnięcia chemii, fizyki oraz inżynierii materiałowej, a ich „sercem” będą nowoczesne, wysokowydajne luminofory.

Należy zwrócić uwagę, że już obecnie lampy fluorescencyjne mają trzynastokrotnie dłuższy czas życia w porównaniu do standardowych lamp żarowych. Zużywają jedynie 10 % energii w porównaniu do lamp żarowych do wyemitowania tego samego strumienia światła. Zatem, można powiedzieć, że oszczędzają czas i pieniądze, bo zmniejszają zużycie energii i dłużej służą nam w domach. Wymiana lamp w domu (nie licząc ceny zakupu lamp) da wysoki wskaźnik rentowności przy obecnych cenach energii.

Jednakże ciągle można osiągnąć więcej gdyż pozostają do poprawy czynniki związane z kosztem tych lamp (są czasem 50 razy droższe niż żarowe). Światło emitowane przez te lampy zwłaszcza diody LED źle oddaje kolory oświetlanych nimi przedmiotów, powodując szybkie zmęczenie osób znajdujących się w oświetlanych nimi pomieszczeniach, co prowadzi także do obniżenia efektywności pracy. Większość z popularnych, komercyjnych luminoforów w jest dalszym ciągu optymalizowana dla wzbudzenia przy pomocy linii 254 nm par rtęci. Ze względów ochrony środowiska konieczne jest jak najszybsze odejście od tego rozwiązania.

Podsumowując możemy powiedzieć, że pozostają trzy czynniki do polepszenia w obecnych lampach „energooszczędnych”.

  • Obniżyć cenę lumen za Wat – przez zwiększenie ilości emitowanych fotonów na jeden Wat pobieranej mocy.
  • Uzyskać światło o wysokim CRI (światło białe) jak najbardziej zbliżone do widma światła słonecznego.
  • Pozbyć się z lamp czynników trujących środowisko naturalne (zwłaszcza rtęci i ołowiu).

Jakość światła – czynnik, który nie jest dotychczas brany pod uwagę!
Jasne, wesołe wnętrza swój wygląd zawdzięczają głównie światłu jakie je oświetla. Im wyższy wskaźnik CRI (Color Rendering Index) tym są prawdziwsze, bardziej naturalne kolory przedmiotów, sprzętów i ludzi. Jest to ważne nie tylko w sklepach, halach targowych aby w atrakcyjny sposób przedstawić np. owoce na wystawie, ale również w domach gdyż nastrój zależy od oświetlenia. Istnieją na rynku lampy o doskonałym CRI (100) lecz są drogie i mało efektywne (lampy halogenowe).

Warto wiedzieć, że źródła emitujące białe światło wykorzystywane są nie tylko do celów oświetleniowych, ale również do celów terapeutycznych. Stanowią główna metodę leczenia sezonowej depresji (SAD – Seasonal Affective Disorder) [1]. Choroba ta jest jedną z odmian depresji spowodowaną brakiem światła. Dotyka najczęściej mieszkańców krajów, w których w miesiącach jesienno-zimowych następuje zdecydowane skrócenie dnia, na skutek czego dostarczana jest mniejsza ilość promieni słonecznych. Od drugiej połowy lat 80 trwają intensywne badania nad sposobami zmniejszania objawów depresji. Najskuteczniejszą metodą jest właśnie światłoterapia. Wykorzystuje ona światło imitujące widmo słoneczne w zakresie widzialnym. Do uzyskania takiego światła używa się źródeł fluorescencyjnych (świetlówki) bądź diod LED. W jednym i drugim przypadku za wytworzenie spektrum światła białego odpowiadają odpowiednie mieszanki luminoforów.

Na podstawie przeprowadzonych badań okazało się, że bardzo istotne znaczenie miało natężenie oświetlenia. Najskuteczniejsze były źródła o luminancji na poziomie kilku tysięcy luksów [2]. Równie istotnym czynnikiem jest widmo emitowane przez urządzenia naświetlające. Badania pokazały, że najlepiej do tego nadaje się światło białe o charakterystyce zbliżonej do charakterystyki promieniowania słonecznego [3, 4]. Korzystny wpływ miało również światło zielone. Powyższy fakt można wykorzystać przy opracowywaniu nowych luminoforów do świetlówek służących do celów oświetleniowych.

Wiemy zatem, że poprzez odpowiednie oświetlenie możemy nie tylko wpływać na nastrój, ale nawet zapobiegać wielu chorobom, takim jak depresji, migrenie a nawet bulimii. Wystarczy dać ludziom źródła światła o odpowiedniej charakterystyce barwowej i o dużej intensywności, gdyż wiele osób „oszczędza” zakładając w domach żarówki o niższej mocy.
Celem konsorcjum jest opracowanie nowoczesnych luminoforów, które pozwolą na zbudowanie źródeł światła:

  • energooszczędnych,
  • tanich (elementy i pierwiastki stosowane do produkcji luminoforów są drogie),
  • o widmie emisji zbliżonym do widma światła słonecznego,
  • przyjaznych dla środowiska.

Zadania te będą realizowane przez pierwsze trzy lata działania konsorcjum. W drugiej fazie (okresie) działania projektu konsorcjum, wykorzystując zdobyte doświadczenia i unikatową wiedzę, podejmuje się opracować luminofor do koncentratorów słonecznych.

Idea bezpośredniej konwersji światła słonecznego na prąd elektryczny wydaje się być bardzo atrakcyjna. Do powierzchni Ziemi dociera promieniowanie słoneczne o mocy 89 PW, co stanowi prawie 6000 razy więcej niż wynosi konsumpcja populacji ludzkiej. Słońce emituje energię jak ciało doskonale czarne o temperaturze 6000 K. Na powierzchnię Ziemi dociera promieniowanie ograniczone przez atmosferę Ziemi i znajdujące się w niej gazy oraz parę wodną (patrz Rys. 1). Niestety tylko fragment tego promieniowania może być zamieniony na energię elektryczną, obszar użyteczny dla ogniwa krzemowego pokazano na Rysunku 1. Bez względu jednak na typ ogniwa, czy będzie to inny półprzewodnik czy ogniwa na organicznych polimerach, to tylko fragment widma słonecznego zostanie zamieniony na energię elektryczną.

Rys. 1 Widmo światła słonecznego na powierzchni Ziemi z zaznaczonym obszarem czułości diody krzemowej. Dodatkowo zaznaczono obszary, które mogą być wykorzystane w luminoforach z konwersją w dół (DC – down-conversion) i konwersją w górę (UC up-conversion) [5].

Jak widać na Rysunku 1 fotony o długościach fali większej niż 1100 nm nie będą brały udziału w wytwarzaniu prądu elektrycznego, fotony ultrafiloletowe wprawdzie w części zostaną zaabsorbowane ale będą źródłem strat cieplnych gdyż generowane przez nie pary elektron dziura będą miały tak dużą energię, że wcześniej będą musiały zrelaksować ku granicy pasm zanim zostaną wykorzystane do generacji prądu elektrycznego.

Jednym z rozwiązań, które pozwoliłoby na wykorzystanie podczerwonej (IR) części widma słonecznego jest wprowadzenie domieszek do półprzewodnika z którego wykonywane jest ogniwo. Domieszki te powodują powstanie pośrednich poziomów strukturze energetycznej półprzewodnika będące pośrednim stopniem w przenoszeniu elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa przez fotony IR. Jednakże Keevers i inni [6] wykazał, że jest możliwe inne podejście, to jest rozwijać technologie półprzewodnikową aby uzyskać jak najlepszą sprawność i wyposażyć je w dodatkowe warstwy, które będą służyły do konwersji niewykorzystanej części widma na długości fali odpowiednie dla ogniwa.

Bibliografia:
1. Rosenthal, Norman E. i Blehar, Mary. Seasonal affective disorders and phototherapy. brak miejsca : Guilford Press, 1989.
2. Lam, Raymond W. (editor). Seasonal Affective Disorder and Beyond: Light Treatment for Sad and Non-Sad Conditions. brak miejsca : American Psychiatric Publishing, Inc., 1998.
3. Thornington, Luke i Parascandola, Louis J. Electric lamps producing energy in the visible and ultraviolet ranges. 3 670 193 US, 13 Czerwiec 1972.
4. Mendelsohn, Fred M. Phosphors formulation for fluorescent lamp. US 2005/0104040 A1 US, 19 Maj 2005.
5. B.S. Richards, Solar Energy Materials & Solar Cells 90 (2006) 2329.
6. M.J. Keevers, M.A. Green, Sol Energy Mater. Sol. Cels 41-42 (1996) 195.