Perowskit, niepozorny minerał odkryty w XX wieku w górach Ural, dzisiaj osiąga apogeum popularności. Naukowcy jednogłośnie potwierdzają, że unikalne cechy perowskitowych ogniw słonecznych pozwolą raz na zawsze uporać się problemami klasycznej fotowoltaiki opartej o moduły krzemowe. Perowskity umożliwiają bowiem tańszą i łatwiejszą produkcję paneli, są wydajne, lekkie i na tyle cienkie, że można pokryć nimi niemal każdą, nierówną powierzchnię.
Potencjał perowskitu jako materiału wykorzystywanego w konstrukcjach ogniw solarnych, dostrzegany jest zaledwie od kilku lat. Po raz pierwszy w energetyce wykorzystany został w 2009 roku – od tej pory pojawiły się setki badań naukowych i dziesiątki nowoczesnych rozwiązań technologicznych angażujących perowskit w innowacje fotowoltaiczne. Coraz częściej mówi się, że perowskity są przyszłością energetyki solarnej.
Dlaczego akurat perowskity?
Co jednak czyni, ten ciągle mało popularny i egzotycznie brzmiący minerał, tak atrakcyjną alternatywą dla i tak dobrze już funkcjonującej na świecie fotowoltaiki? Odpowiedzi nasuwa się kilka. Nie bez powodu ogniwa perowskitowe nazywane są technologią trzeciej generacji.
- Wydajność
Przede wszystkim, cechą wyróżniającą perowskity, jest ich szerokie spektrum absorpcji optycznej. Ogniwo już o szerokości zaledwie 500 nm jest w stanie absorbować pełne widmo światła widzialnego. Jest to ogromna przewaga nad komercyjnymi technologiami, ponieważ powinowactwo do różnych długości fali świetlnych pozwala na efektywne wytwarzanie energii elektrycznej, nawet w niesprzyjających dla konkurencyjnych urządzeń warunkach pogodowych. Ponadto, w najprostszej konstrukcji, jego wydajność konwersji energii słonecznej na elektryczną wynosi ponad 15%, czyli absolutnie w niczym nie ustępuje konwencjonalnym ogniwom cienkowarstwowym. Niektóre źródła podają, że wartość ta wynosi nawet ponad 22%, co jest w wielu przypadkach wyższe, niż to, czym dysponują powszechnie używane moduły krzemowe. - Elastyczność
Nowoczesne technologie umożliwiają produkcję ogniw solarnych bazujących na perowskitach, w innowacyjnej formie. Jak się okazuje, ogniwa takie funkcjonują sprawnie nawet umieszczone na cienkiej folii. Dzięki specjalnym urządzeniom, są nadrukowywane na elastyczne media, co pozwala na pokrycie nimi nawet nierównych powierzchni. W ostatnich latach równie intensywnie badana jest możliwość pokrywania tworzyw nośnikowych perowskitami w sprayu. Ponadto, wykonane z nich ogniwa solarne są wyjątkowo lekkie, co także daje szerokie spektrum możliwości ich potencjalnego wykorzystania. - Łatwość produkcji i relatywnie niskie koszty
Ponieważ pozyskiwanie na szeroką skalę perowskitów z natury kłóci się z ideą ekologii i zrównoważonego rozwoju, aktualnie wytwarzane są one syntetycznie. Ich struktura jest łatwa i szybka do odtworzenia w warunkach sztucznych, zatem materiał identyczny z naturalnym, produkowany jest laboratoryjnie. Ogranicza to zdecydowanie nakład pracy i środków finansowych. Kolejną zaletą ogniw perowskitowych jest proces produkcji samych “paneli”. Wymaga ona znacznie niższej temperatury (wystarczy 120 stopni), niż większość komercyjnych rozwiązań, przez co kosztowne i zużywające duże nakłady energii aparatury, stają się zbędne.
Rynek fotowoltaiki perowskitowej
Pomimo licznych zalet ogniw perowskitowych, rynek tego działu energetyki solarnej nadal jest na stosunkowo wczesnym etapie badań i ciągłego ulepszania. Mimo to, kilka pionierskich pomysłów z ich wykorzystaniem, jest już wdrażanych w życie.
Jednym z nich jest, przykładowo, założona przez polską badaczkę, Olgę Malinkiewicz, firma Saule Technologies. Firma w kooperacji z międzynarodowym przedsiębiorstwem budowlanym Skanska, rozpoczyna projekt, którego celem jest pokrywanie ekranów akustycznych i fasad wieżowców folią z ogniwami perowskitowymi. Takie budynki mają być docelowo wręcz samowystarczalne energetycznie.
Rynek fotowoltaiki perowskitowej rozwija się oczywiście także poza Europą. Kilka lat temu, australijska firma GreatCell Solar opracowała własną, opartą o perowskity technologię trzeciej generacji. Ich celem jest komercjalizacja nowoczesnej fotowoltaiki i umożliwienie integracji paneli solarnych bezpośrednio z fasadą budynku. Aktualnie firma uważana jest za lidera w produkcji komponentów, wyposażenia oraz samych paneli solarnych trzeciej generacji.
Energetyka solarna, w przypadku perowskitów, nie jest jednak ograniczeniem. Stopniowo pojawia się coraz więcej pomysłów na ich wykorzystanie, włączając w to nowoczesne lasery i innowacyjne, bardziej ekologiczne baterie do samochodów elektrycznych.
Przeszkody w komercjalizacji perowskitów
Niestety, o perowskitach nie da się mówić wyłącznie w superlatywach. Jak każda technologia, perowskitowe ogniwa solarne przysparzają naukowcom sporo problemów utrudniających szybką i skuteczną ich komercjalizację. Głównym z nich jest żywotność i stabilność. Okazuje się także, że obecność wilgoci stosunkowo szybko powoduje degradację perowskitów, a produkty rozpadu mogą uszkadzać elektrody metalowe. Do pewnego stopnia, nawet tlen i nieodpowiednia temperatura powodować mogą ich niszczenie. Ponadto, wątpliwe jest odniesienie wydajności otrzymanej w testach laboratoryjnych na małych ogniwach, do komercyjnego, wielkoformatowego użytkowania zewnętrznego.
Jednym z często pomijanych problemów związanych z użyciem ogniw perowskitowych, jest toksyczność komponentów pomocniczych wykorzystywanych przy ich produkcji. Takim komponentem jest na przykład, znany ze szkodliwych dla środowiska właściwości, ołów. W bardziej nowoczesnych konstrukcjach o wysokiej wydajności, stosowana jest także substancja o nazwie Pbl, która również wykazuje pewną toksyczność oraz możliwą (choć nie do końca zbadaną) kancerogenność.
Widząc potencjał perowskitów, naukowcy nie dają za wygraną. Wymienione problemy są cały czas przedmiotem intensywnych badań, które stale dostarczają, mniej lub bardziej skutecznych, rozwiązań. Toksyczne komponenty, o których mowa powyżej, są coraz częściej zastępowane mniej problematycznymi, np. cyną. W maju bieżącego roku, badacze z Argonne-Northwestern Solar Energy Research, rozwiązali także problem podatności na negatywny wpływ wilgoci – dzięki ich systemowi, panele perowskitowe działały nawet pod wodą.
Wydaje się, że temat perowskitowych ogniw fotowoltaicznych cieszy się aktualnie na tyle dużą popularnością, że przeskoczenie pozostałych kilku przeszkód i usprawnienie systemu jako całości, jest jedynie kwestią czasu. Wielu ekspertów uważa, że komercjalizacja technologii z użyciem perowskitów wręcz już w dużym stopniu się dokonała i – z zawrotną prędkością – nieustannie postępuje.
Źródła:
Djurisic A. B., Liu F. Z., Tam H. W., Wong M. K., Ng A., Surya C., Chen W., He Z. B., 2017: Perovskite solar cells – An overview of critical issues. Progress in Quantum Electronics, 53, 1-37
Yin W., Shi T., Yan Y., 2014: Unique Properties of Halide Perovskites as Possible Origins of the Superior Solar Cell Performance. Advanced Materials, 26, 27, 4653-4658
https://www.perovskite-info.com/perovskite-solar
https://cleantechnica.com/2018/04/16/more-good-news-about-coal-killing-perovskite-solar-cells/
https://www.ossila.com/pages/perovskites-and-perovskite-solar-cells-an-introduction
http://www.greatcellsolar.com/about-us/
http://sollartek.com/projects/perovskite/?lang=en (fotografia)
http://sinovoltaics.com/solar-basics/solar-cell-guide-part-4-organic-and-dye-sensitized-solar-cells/ (fotografia)
Jeśli podoba Ci się treść na blogu, możesz podziękować za moją pracę stawiając mi wirtualną kawę:
