Postęp w ogniwach słonecznych perowskitowych

Pod względem wydajności ogniwa perowskitowe są jak dotąd najszybciej rozwijającą się technologią słoneczną. Nad ich wykorzystaniem od lat pracuje wiele grup badawczych. Powstała też już pierwsza fabryka. Jednak problemy z ich stabilnością i koszty utrudniają powszechną komercjalizację tego wynalazku. Chociaż nad perowskitami naukowcy pochylają się od lat, to dopiero teraz widać efekty uznawane jako namacalny efekt ich pracy. Co więcej, obecne sukcesy dają nadzieję na realne wdrożenie ogniw perowskitowych do użytkowania na większą skalę.

Odkrycie perowskitu i nadanie nazwy

Profesor Gustavus („Gustav”) Rose to pochodzący z Berlina niemiecki mineralog i chemik, któremu przypisuje się odkrycie perowskitu. W 1839 roku otrzymał on przesyłkę od głównego inspektora kopalń Imperium Rosyjskiego, Augusta Alexandra Kämmerera. Przesyłka zawierała próbkę metalicznych kryształów z prośbą o ich zbadanie.

Rose odkrył, że kryształki zbudowane są z minerału o symetrii sześciennej, składającego się z tlenków wapnia i tytanu. Było to zupełnie nowe odkrycie. Za sugestią Kämmerera, Rose nazwał ów minerał perowskitem – na cześć rosyjskiego polityka i mineraloga hrabiego Lwa Aleksiejewicza Perowskiego.

Początkowe zastosowania perowskitu

Przez około 100 lat perowskit wydawał się mieć niewielkie zastosowanie poza pigmentem. Ale stopniowo ten materiał – i inne o podobnej strukturze krystalicznej, znane też jako perowskity – ujawniały nowe właściwości fizyczne. To natomiast otworzyło drogę do kolejnych zastosowań, z których najistotniejszym wydaje się być dzisiaj fotowoltaika.

Perowskity są podatne na modyfikacje zmieniające ich właściwości, np. przewodzenie prądu. Ponadto bardzo dobrze absorbują światło. Dlatego zaczęto szukać dla nich zastosowania właśnie w branży OZE.

Pierwsze ogniwo słoneczne na bazie perowskitu

W 2009 roku japoński inżynier Tsutomu Miyasaka wraz z zespołem, zbudował pierwsze ogniwo perowskitowe. Jednak niska wydajność ogniwa (3,8%) w tamtym czasie i wysokie koszty produkcji nie pozwoliły na etap komercjalizacji.

Sprawność konwersji energii na poziomie 3,8% oznacza, że moc elektryczna 3,8 mW/cm2 jest generowana przez pochłanianie mocy światła słonecznego 100 mW/cm2.

Mimo wszystko, ogniwa słoneczne na bazie perowskitu wzbudziły duże emocje. Dlatego naukowcy nad nimi nadal pracowali. Dzięki temu dzisiaj są one znane jako najszybciej rozwijająca się technologia słoneczna pod względem wydajności. Od czasu wynalezienia ogniw perowskitowych, ich sprawność konwersji energii szybko rośnie.

Wzrost wydajności ogniw perowskitowych

Podwojoną wydajność na poziomie 6,5% odnotowała w 2011 roku grupa Park (nasza grupa), przy użyciu perowskitu z jodkiem metyloamoniowo-ołowiowym osadzonym na cienkiej warstwie dwutlenku tytanu. (…) W 2012 roku opracowaliśmy jako pierwsi stabilne i 9,7% sprawne półprzewodnikowe ogniwo słoneczne z perowskitu, które zostało zgłoszone w Scientific Reports (Nature Publishing Journal).

Dr Nam-Gyu Park, profesor inżynierii chemicznej na Uniwersytecie Sungkyunkwan

Od 2012 r. nastąpił ogromny postęp w badaniach nad ogniwami słonecznymi perowskitowymi, w wyniku czego w 2014 roku wydajność zbliżyła się do 20%. Natomiast w 2019 roku wyniosła ona aż 25,2%, co niemal zniwelowało stratę do głównego surowca wykorzystywanego w fotowoltaice – krzemu.

Ogromny sukces perowskitu [w fotowoltaice] był dość nieoczekiwany dla naszej grupy (…) [po długiej ciszy od naszej pierwszej publikacji] nie spodziewaliśmy się, że [ogniwa słoneczne na bazie perowskitu] staną się przedmiotem tak ogromnej aktywności badawczej.

Tsutomu Miyasaka

Na najbliższe 10 lat istnieją dwa ważne kierunki badawcze: jeden to naukowa i technologiczna strategia osiągnięcia teoretycznej sprawności powyżej 30%, a drugi związany jest z komercjalizacją perowskitowych ogniw słonecznych.

Dr Nam-Gyu Park

Aktualne wyzwania

Wydajność perowskitowych ogniw słonecznych jest teraz na wysokim poziomie. To oznacza ich konkurencyjność w stosunku do skomercjalizowanych technologii fotowoltaicznych opartych na konwencjonalnych krzemowych ogniwach słonecznych. Jednak nadal wyzwaniem i zarazem przeszkodą w skutecznej komercjalizacji są problemy ze stabilnością i opłacalną skalowalnością. Niektórzy badacze uważają, że jeśli obecne przeszkody zostaną pokonane, perowskity mogą stać się wiodącym elementem następnej generacji komercyjnych ogniw słonecznych.

Powstanie pierwszej fabryki

Choć komercjalizacja wciąż stoi przed szeregiem wyzwań, to kroki w tym kierunku są podejmowane. W połowie dekady na scenę weszła dr Olga Malinkiewicz – fizyczka i współzałożycielka firmy Saule Technologies. Wydaje się, że metoda jej firmy daje szansę na upowszechnienie wynalazku. Jako Polacy możemy być dumni, że pierwsza fabryka perowskitów powstała w Polsce.

Warto jednak zaznaczyć, że to nie koniec pracy. Po otwarciu fabryki stanęły nowe wyzwania przed Saule Technologies. Dotyczą one nie tylko tematów związanych z pozyskiwaniem partnerów, lecz także z dalszym rozwojem technologicznym. W tym ostatnim nacisk jest kładziony tak samo na wydajność ogniw, jak na ich efektywność kosztową. Tym bardziej, że nad wykorzystaniem perowskitów w fotowoltaice pracuje wiele grup badawczych.

Źródła:

https://www.osa-opn.org/home/articles/volume_31/november_2020/features/perovskite_photovoltaics_the_road_ahead/

https://www.electrochem.org/ecs-blog/5-ques-dr-nam-gyu-park/

https://sauletech.com/

SAULE Technologies, “Otwarcie Linii Produkcyjnej – Konferencja prasowa Saule Technologies & Columbus Energy” https://www.youtube.com/watch?v=0w7ZuRb8lI4&ab_channel=SAULETechnologiesSAULETechnologies

1 KOMENTARZ

  1. Pozyskiwanie paliw z dwutlenku węgla też było sensacją, i co się dalej dzieje w tym kierunku?
    A problem z emisją CO2 trwa nadal.
    Lobby naftowe nie odpuszcza.

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać swój komentarz!
Proszę podać swoje imię tutaj

Najnowsze

PARTNER STRATEGICZNY PORTALU

Kategorie

BĄDŹMY W KONTAKCIE