Czy perowskity zastąpią krzem w fotowoltaice?
Perowskity to rodzina materiałów syntetycznych, które skutecznie pochłaniają światło słoneczne i są stosunkowo łatwo wykorzystywane do powlekania powierzchni. Tworząc tanie ogniwa słoneczne, potrafią wykorzystać energię słoneczną i przekształcić ją w energię elektryczną.
Czy najbardziej ekscytująca nowa materia słoneczna podbije świat?
Ogniwa słoneczne z perowskitu są główną opcją konkurującą o zastąpienie krzemowych ogniw słonecznych. Są nadzieją na najbardziej wydajny i tani materiał na panele słoneczne w przyszłości. Perowskity mają potencjał do wytwarzania cieńszych i lżejszych paneli słonecznych, działających w temperaturze pokojowej. Wzrost rynku perowskitowych ogniw słonecznych przypisywany jest czynnikom takim jak wzrost zapotrzebowania na energię przyjazną dla środowiska, niski koszt produkcji oraz potencjał wysokiej wydajności. Co więcej, w porównaniu do innych rodzajów ogniw słonecznych, takich jak ogniwa słoneczne z selenku miedziowo-indowo-galowego lub ogniwa słoneczne z tellurku kadmu, ogniwa perowskitowe oferują zwiększoną wydajność. To dodatkowo zwiększa ich atrakcyjność na rynku.
Perowskity obiecują być tańsze i bardziej wydajne niż krzem. Kilka firm twierdzi, że są bliskie wyprodukowania go na dużą skalę.
Podczas gdy krzem ma przewagę w kluczowych wskaźnikach używanych przez naukowców do oceny materiałów słonecznych, perowskity szybko nadrabiają zaległości. Dotyczy to zwłaszcza wydajności — ile energii słonecznej komórka zamienia na energię elektryczną. Zarówno krzem, jak i perowskity ustanowiły ostatnio rekordy powyżej 25%.
Szybki postęp w pracach nad perowskitami doprowadził do dużego zainteresowania naukowców, którzy mają nadzieję na masowe wykorzystanie tych materiałów. Artykuły naukowe zapowiadały nowe osiągnięcia, a to przełożyło się na finansowanie. Na przykład Departament Energii USA oferuje nagrodę startową dla biznesów perowskitowych.
Kilka nowych firm, takich jak Microquanta Semiconductor, Oxford PV, czy rodzima Saule Technologies, zebrało miliony, a nawet zainstalowało projekty demonstracyjne.
Ale pomimo tego szumu istnieje kilka kluczowych powodów, dla których następna instalacja solarna na dachu prawdopodobnie nie będzie, póki co zasilana perowskitami.
Perowskity są zbyt delikatne.
To prawda, że są mocniejsze niż kiedyś. Pierwsze egzemplarze rozpadały się w czasie, gdy naukowcy przenosili nowo wykonaną próbkę przez laboratorium do testowania.
W jednym z ostatnich badań opublikowanym w Science, naukowcy odkryli nowy sposób budowania ogniw słonecznych z perowskitu z dodatkami, które poprawiają wydajność i żywotność. Komórki wytrzymywały w laboratorium 1500 godzin wysokiej temperatury i wilgotności.
Problemem jest przełożenie tych wyników na praktykę. Naukowcom trudno jest symulować rzeczywiste warunki, a krzem ustawił sobie wysoką poprzeczkę. Wielu producentów gwarantuje, że ich panele zachowają 80% swojej wydajności przez 30, a nawet 40 lat.
W ostatnich testach terenowych naukowcy odkryli, że po kilku miesiącach komórki na bazie perowskitu osiągnęły ponad 90% swojego początkowego poziomu. Ale utrata prawie 10% wydajności komórki w tym okresie nie spowoduje jej znacznego zmniejszenia.
Ponieważ urządzenia perowskitowe są znacznie tańsze w produkcji, mogą nie potrzebować tak długiej żywotności, jak ich krzemowe odpowiedniki. Jednak, aby wykorzystać swój ostateczny potencjał w realizacji szeroko zakrojonej dekarbonizacji, ogniwa będą musiały działać przez co najmniej dekadę. Naukowcy i producenci muszą jeszcze opracować urządzenie perowskitowe o stabilności podobnej do ogniw krzemowych.
Większa skala zwiększa problemy
Kolejną problemem jest to, że wszystkie te testy zostały wykonane przy użyciu maleńkich komórek. Zwiększanie skali perowskitów i tworzenie większych ogniw, które można połączyć w pełnowymiarowe panele słoneczne, często prowadzi do obniżenia wydajności i żywotności.
Te wyzwania oznaczają, że dzień, w którym perowskity przejmą rynki energii słonecznej, nie jest tak blisko. Nie jest także nieunikniony, jak twierdzą niektórzy badacze.
„Dostrajanie perowskitów metodami takimi jak dodawanie stabilizatorów i materiałów, które chronią je przed żywiołami, może ostatecznie umożliwić tym ogniwom słonecznym przetrwanie kilkudziesięciu lat w normalnych warunkach pracy”. Mówi Letian Dou, badacz perowskitów z Purdue University. „Ale przewiduje, że minie dekada lub dłużej, zanim osiągną znaczący postęp komercyjny”.
Jest nadzieja
Naukowcy z University of Cambridge i Okinawa Institute of Science and Technology ogłosili, że odkryli sposób na „piętę achillesową” perowskitów.
Korzystając z zestawu narzędzi technik o wysokiej rozdzielczości przestrzennej, we współpracy z ośrodkiem synchrotronowym Diamentowego Źródła Światła i Centrum Obrazowania Fizyki Elektronowej (ePSIC) w Didcot oraz Wydziałem Materiałoznawstwa i Metalurgii w Cambridge, zespół był w stanie zaobserwować właściwości tych cienkich warstw w nanoskali i ich zmiany w czasie pod wpływem światła słonecznego.
Wcześniejsze prace zespołu wykorzystujące podobne techniki rzuciły światło na wady, które powodują niedobory wydajności fotowoltaiki perowskitowej – tzw. pułapki nośne.
„Podświetlając filmy perowskitu w czasie, symulując starzenie się urządzeń ogniw słonecznych, odkrywamy, że najbardziej interesująca dynamika zachodzi w tych nanoskopowych skupiskach pułapek”. Powiedział współautor dr Stuart Macpherson z Cambridge’s Cavendish Laboratory.
„Teraz wiemy, że zmiany, które obserwujemy, są związane z fotodegradacją folii. W rezultacie pułapki nośne ograniczające wydajność można teraz bezpośrednio powiązać z równie istotną kwestią trwałości ogniw słonecznych”.
Uczeni są przekonani, że jeśli zdołają rozwiązać problem formowania się tych pułapek na powierzchni, poprawią wydajność i stabilność urządzeń.
Perowskity razem z krzemem?
Pomimo wyzwań istnieje realne zapotrzebowanie na różne typy ogniw słonecznych. Szczególnie teraz, kiedy gwałtownie rośnie popyt na materiały słoneczne.
A perowskity niekoniecznie musiałyby konkurować bezpośrednio z krzemem, ponieważ można je stosować w ogniwach tandemowych, w których warstwa perowskitu jest ułożona na wierzchu ogniwa krzemowego. Ponieważ te dwa materiały wychwytują różne długości fal światła, mogą się wzajemnie uzupełniać.
Czy istnieje szansa na to, że to się wydarzy? Czekamy na potwierdzone wiadomości, że ktoś jest w stanie wyprodukować ogniwa słoneczne z perowskitu, które są znacznie bardziej stabilne. A naukowcy z pewnością nie rezygnują z prób.
Czytaj także: Grafenowa rewolucja u naszych drzwi
