Nowy-stary materiał nadzieją fotowoltaiki

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Ogniwa fotowoltaiczne stworzone z powszechnego na Ziemi materiału, mogą być równie wydajne jak ogniwa krzemowe, a przy tym dużo tańsze. Naukowcy dopiero zaczynają rozumieć potencjał nowego materiału, który daje nadzieję na przełom w pozyskiwaniu energii ze Słońca. Zdaniem amerykańskiego Departamentu Energii ogniwa fotowoltaiczne musiałyby kosztować 50 centów za wat, by móc konkurować z paliwami kopalnymi. Obecnie kosztują 75 centów/wat. Tymczasem ogniwa z perowskitów, bo o nich właśnie mowa, mogłyby kosztować 10-20 centów za wat.

Jeszcze niedawno specjaliści zajmujący się ogniwami słonecznymi musieli decydować się albo na tanie i mało wydajne, albo na bardziej wydajne ale drogie urządzenia. Perowskity mogą pozwolić na stworzenie tanich wydajnych ogniw.

Martin Green z australijskiego University of New South Wales to jeden z największych światowych autorytetów w dziedzinie badań nad ogniwami fotowoltaicznymi. Uczony mówi, że postęp dziedzinie badań nad wykorzystaniem perowskitów jest zdumiewający. Stworzone z nich ogniwa mogą być wykonane w bardzo prostej i potencjalnie bardzo taniej technologii, a ich wydajność dramatycznie rośnie.

Znane od ponad 100 lat perowskity dopiero niedawno zwróciły na siebie uwagę uczonych zajmujących się fotowoltaiką. Nic dziwnego. Badania wykazały, że o ile konwencjonalne krzemowe ogniwo wykorzystuje warstwę materiału o grubości około 180 mikrometrów, to w przypadku perowskitów wystarczy mniej niż 1 mikrometr, by przechwycić tyle samo światła słonecznego.

Eksperci pracujący pod kierunkiem Michael Grätzela, innej znanej postaci ze świata badań nad fotowoltaiką, stworzyli najbardziej wydajne jak dotychczas ogniwa perowskitowe. Zamieniają one w energię elektryczną aż 15% przechwyconego światła. Żadne inne tanie ogniwa nie mogą pochwalić się takimi osiągnięciami. Jednak grupa Grätzela nie powiedziała ostatniego słowa. Uczeni zapewniają, że łatwo zwiększą wydajność do 20-25 procent. Taką wydajność uda się uzyskać w laboratorium. W codziennych zastosowaniach będzie niższa. Jednak w przypadku perowskitów podawanie wartości laboratoryjnych ma większy sens, niż w przypadku innych materiałów. Grätzel twierdzi, że wydajność masowo produkowanych perowskitowych paneli słonecznych będzie niewiele odbiegała, dzięki prostocie produkcji, od wydajności urządzeń z laboratorium.

Ogniwa słoneczne z perowskitów można będzie produkować natryskując je na szkło lub metalową folę pokryte kilkoma innymi warstwami materiałów ułatwiającymi ruch elektronów. Co prawa jest bardzo mało prawdopodobne, że kiedykolwiek będziemy mogli po prostu kupić w sklepie puszkę ze "słoneczną farbą", ale proces produkcyjny nowych paneli będzie równie banalny jak malowanie - mówi Henry Snaith z Oxford University.

Badania nad perowskitami nabierają przyspieszenia. Pierwsze ogniwa słoneczne wykorzystujące te materiały powstały w 2009 roku. Ich wydajność wynosiła zaledwie 3,5%, a wytrzymałość była żałośnie niska. Elektrolit tak szybko rozpuszczał perowskity, że naukowcy ledwo nadążali z przeprowadzeniem testów ogniw. Jednak w ubiegłym roku doszło do przełomu. Powstał elektrolit w formie stałej i rozpoczął się wyścig badaczy. W latach 2009-2012 opublikowano jedną pracę naukową na temat wykorzystania perowskitów w ogniwach fotowoltaicznych. Później badania ruszyły z kopyta. Wydajność ogniw zwiększono dwukrotnie, a później znowu dwukrotnie. Wszystko w ciągu zaledwie roku.

Mimo entuzjazmu naukowców przyszłość perowskitowych ogniw nie jest pewna. Będą musiały bowiem konkurować z ogniwami krzemowymi, a te ciągle tanieją. Niekŧórzy analitycy uważają, że cena krzemowych ogniw spadnie do 25 centów za wat, a to wyeliminuje główną zaletę ogniw perowskitowych i biznes będzie mniej chętny do inwestowania w nową technologię. Dotychczas od momentu opracowania nowej technologii na rynku paneli słonecznych do momentu jej rozpowszechnienia się mijało około 10 lat. Za 10 lat w dziedzinie ogniw krzemowych może dokonać się olbrzymi postęp.

Naukowców to jednak nie martwi. Zdaniem Greena perwoskity mogą zwiększać możliwości krzemu. Uczony nie wyklucza, że będą one np. nakładane na tradycyjne ogniwa krzemowe, zwiększając w ten sposób ich wydajność i zmniejszając cenę za wat. To może być znacznie łatwiejsza strategia rynkowa niż próba wprowadzenia zupełnie nowych ogniw.

Na razie jedyną przeszkodą rysującą się przed perowskitami jest obecność w nich niewielkich ilości ołowiu. Konieczne będzie zatem przeprowadzenie testów na toksyczność.