Panele słoneczne Perovskite

Substancja znana naukowcom od ponad stu lat, dopiero dziś, na początku XXI wieku, okazała się bardzo obiecującym materiałem do produkcji tanich i skutecznych ogniw słonecznych. Perowskit, czyli tytanian wapnia, po raz pierwszy znaleziony w postaci minerału przez niemieckiego geologa Gustava Rosę w Uralu w 1839 r. I nazwany imieniem hrabiego Lwa Aleksiejewicza Perowskiego, chwalebnego męża stanu i kolekcjonera minerałów, bohatera Wojny Ojczyźnianej z 1812 r., Okazał się najbardziej odpowiednim kandydatem na rola alternatywy dla krzemu w produkcji ogniw słonecznych.

Jako substancja do niedawna tytanian wapnia był szeroko stosowany tylko jako dielektryk dla wielowarstwowych kondensatorów ceramicznych. A teraz próbują go zastosować do budowy wysoce wydajnych paneli słonecznych, ponieważ okazało się, że materiał ten doskonale pochłania światło.

Zwykły, długi tradycyjny silikonowe panele słoneczne przy grubości 180 mikronów pochłaniają tyle światła, ile perowskit pochłonie przy grubości zaledwie 1 mikrona. Perowskit, podobnie jak krzem, jest półprzewodnikiem i przenosi ładunek elektryczny w przybliżeniu w ten sam sposób pod wpływem światła, ale spektrum światła przekształconego w elektryczność dla perowskitu jest szersze niż dla krzemu.

Struktura krystalicznej substancji tytanianu wapnia jest identyczna ze strukturą minerału perowskitu, dlatego ich nazwa jest taka sama. I to właśnie ta substancja zajmuje dziś jedno z wiodących miejsc w rankingu ścieżek optymalizacji energii słonecznej.

Chodzi o to, że panele słoneczne na bazie krzemu kosztują dziś średnio 75 centów za 1 kW, a panele słoneczne na bazie perowskitu obniżą swój koszt do 10-15 centów na 1 kW, czyli w technologii słonecznej perovskite w 5-7 razy tańszy niż krzem zarówno w produkcji akumulatorów, jak i w ich eksploatacji, a ilość wytwarzanej energii elektrycznej jest taka sama.

I to pomimo faktu, że analitycy branży energetycznej twierdzą, że już przy koszcie 50 centów za 1 kW energia słoneczna staje się konkurencyjna wobec paliw kopalnych. Oznacza to, że przejście na perowskit w skali globalnej czasami obniży koszty produkcji energii elektrycznej, a proces produkcji samych paneli będzie bardzo prosty.

Badania mające na celu ocenę i poprawę wydajności ogniw słonecznych na bazie perowskitu są prowadzone w wielu krajach: w Australii, Martin Green, w Szwajcarii, Michael Gretzel, w USA, Henry Saint, Felix Deshler, Leaming Day oraz w Korei, Sok Sang Il. Naukowcy jednogłośnie deklarują niski koszt i wysoką wydajność obiecujących technologii.

Michael Gretzel twierdzi, że sprawność osiągnięta przez niego w 15% może być łatwo zwiększona do 25%, a niedrogie ogniwa słoneczne z obecnie dostępnych nie osiągają 15%. Po raz pierwszy, w 2009 r., Kiedy rozmawiali o możliwościach wykorzystania perowskitu do energii słonecznej, uzyskano sprawność 3,5%, a ogniwa były krótkotrwałe, ponieważ ciekły elektrolit rozpuścił perowskit, a gdy tylko naukowcy zdążyli zmierzyć, akumulator przestał działać.

Jednak po trzech latach ciekły elektrolit został zastąpiony stałym, a ogniwa stały się bardziej stabilne, a wydajność najpierw podwoiła się, a następnie ponownie podwoiła. Kilka elektrycznie przewodzących warstw podłoża, z których jedna została pokryta pigmentem, rozwiązała problem i otworzyła perspektywę. Kroki mające na celu poprawę wydajności nie kończą się do dziś, naukowcy stosują między innymi standardowe metody optymalizacji, które służyły do ​​ulepszania prekursorów krzemu.

Michael Gretzel jest pewien, że 25% wydajności doprowadzi do rewolucji w energii słonecznej.Profesor z Australii, Martin Green, jeden z pionierów badań, twierdzi, że akumulatory bezsilikonowe są tak proste w produkcji i wydajne w działaniu, że z pewnością istnieje pewność, że przyszłość paneli słonecznych na Perovskite jest jasna, ponieważ wstępne szacunki już przewidują ogromną obniżkę ceny - na 7 razy

Grupa naukowców z Korei, kierowana przez Sok Sanga II, opracowała własną formułę, mieszając bromek ołowiu metyloamoniowy z ołowianem jodkiem formamidyny. Naukowcy osiągnęli taką strukturę perowskitu, że osiągnęli rekordową wydajność 17,9%. Zastosowanie mieszaniny pozwoli na drukowanie ogniw słonecznych, a ich koszt zostanie jeszcze bardziej obniżony. Problem pozostaje - materiał rozpuszcza się w wodzie, a ponadto rozmiar komórek w testach nie przekraczał 10 mm kwadratowych, więc badania są kontynuowane.

Proces wytwarzania ogniw słonecznych perowskitowych wydaje się naukowcom dość prosty. Ciecz jest po prostu natryskiwana na powierzchnię lub nakładana w postaci pary, co jest bardzo proste do zrealizowania technologicznego. Kilka warstw materiałów nakłada się na folię metalową lub szkło, z których jedną jest perowskit.

Potrzebne są tutaj inne materiały, aby ułatwić ruch elektronów wewnątrz elementu. Proces produkcji jest bliski ideału. Henry Saint, fizyk z Oxford University, który pracuje nad rozwojem ogniw perowskitowych w Stanach Zjednoczonych, jest przekonany, że warstwy paneli słonecznych będą nakładane równie łatwo, jak zwykłą farbą na powierzchnię.

Pomimo pojawiających się perspektyw naukowcy zostali podzieleni na dwa obozy. Te pierwsze opowiadają się za ulepszeniem akumulatorów krzemowych, które stały się już tradycyjne, podczas gdy inne opowiadają się za stworzeniem zupełnie nowych, bardziej wydajnych. Tak więc Martin Green uważa, że ​​perowskit może być stosowany jako dodatek do akumulatorów krzemowych, łącząc krzem z perowskitem, a tym samym obniżając koszt wytworzonego wata energii elektrycznej bez znaczących strat dla przemysłu krzemowego. Przeciwnie, Michael Gretzel jest przekonany, że ważne są nowe rozwiązania, a koszt zwiększenia wydajności nowych fotokomórek zwróci się wiele razy.

Wiele firm już pracuje nad komercyjnym wdrożeniem produktu, ponieważ pomimo faktu, że możliwości perowskitu dopiero zaczynają być rozpoznawane, wiodący eksperci w dziedzinie energii słonecznej już zwrócili uwagę na przyszłość. Australijskie i tureckie firmy wspólnie aktywnie zbliżyły się do komercjalizacji paneli słonecznych perowskitowych i zgodnie z prognozami do 2018 r. Zostaną one zaprezentowane na rynku światowym.

Pomimo optymizmu niektórych firm, doświadczenie pokazuje, że przejście nowej technologii z laboratorium na rynek zajmuje zwykle około dziesięciu lat, aw tym czasie baterie silikonowe mogą znacznie wyprzedzić perowskit. Nawiasem mówiąc, Gretzel sprzedaje licencję na nowe technologie firmom, które zamierzają podążać tradycyjną drogą krzemu.

Konkurencja na rynku energii słonecznej jest również wysoka i każdy nowy gracz musi się z tym zmierzyć. Koszt paneli krzemowych jest zmniejszony, a według niektórych analityków może spaść do 25 centów za 1 kW, co całkowicie pozbawia zalety technologii perowskitowej.

Obecność niewielkiej ilości ołowiu w pigmentie, która jest toksyczna, pozostaje problemem. Zbliżają się badania eksperymentalne, które ujawnią, jak toksyczny jest perowskit. Warto zwrócić uwagę na utylizację zużytych akumulatorów, jak ma to miejsce w przypadku akumulatorów rozruchowych. Ale w zasadzie zamiast ołowiu można użyć cyny lub czegoś podobnego.

Tymczasem naukowcy z Ohio, kierowani przez Leaming Dai, rozpoczęli elektryzowanie samochodów elektrycznych za pomocą paneli słonecznych perowskitowych. Opracowali najbardziej korzystną kombinację paneli słonecznych z akumulatorami do samochodów elektrycznych niż kiedykolwiek wcześniej.

Łącząc cztery baterie perowskitu z baterią litową, naukowcy osiągnęli sprawność 7,8% w najbardziej wydajnej do tej pory konfiguracji, która przewyższyła poprzednie rozwiązania dotyczące łączenia ogniw słonecznych z superkondensatorami i bateriami.

Panele wielowarstwowe zwiększyły gęstość i stabilność energii otrzymywanej od słońca. Testy wykazały, że trzy warstwy perowskitu są przekształcane, w razie potrzeby, w jedną folię. Przy powierzchni pojedynczej komórki nie większej niż 10 mm kwadratowych naukowcy osiągnęli sprawność 12,65% konwertera wielkości monety, ale biorąc pod uwagę konwersję i magazynowanie energii, wydajność wyniosła 7,8% w trybie cyklicznym.

Takie systemy, zdaniem twórców, będą w przyszłości mogły nie tylko ładować samochody elektryczne, ale również będą instalowane w postaci elastycznej folii na nadwoziach. Technologia wydaje się idealna do pojazdów elektrycznych.

Niezwykła jest zdolność perowskitu do reemisji. Naukowiec z University of Cambridge, Felix Deschler, odkrył, że perowskit ma wyjątkową właściwość. Kiedy światło wchodzi w materiał, energia fotonu jest nie tylko przekształcana w elektryczność, ale część ładunku jest przekształcana z powrotem w fotony.

Jeśli panel będzie mógł ponownie wykorzystać te fotony, wówczas zgromadzona energia stanie się jeszcze większa. Grupa Deshlera przeprowadziła eksperyment, w którym wiązka laserowa została skoncentrowana na skrawku perowskitu o grubości 0,5 mikrona, a światło zostało ponownie wyemitowane w innym miejscu próbki. Na przykład krzem nie ma zdolności przenoszenia energii w sobie i ponownego jej emitowania.

Perspektywy dla perowskitu są więc ogromne, a kto wie, może to być czas, w którym każdy dom i każdy samochód będzie wyposażony w baterie perowskitowe, ponieważ stanie się nieopłacalne ekonomicznie i nie zaleca się zanieczyszczania środowiska produktami spalania paliw kopalnych.