Wyobraźmy sobie, że ogniwa słoneczne są natryskiwane lub nadrukowywane na okna drapaczy chmur lub na dachy pojazdów użyteczności publicznej. Wydaje się nierealne? Zdziwi cię, jeśli powiemy, że to przyszłość nie tak odległa jak się może wydawać.

 

Co więcej, również koszt takiej usługi może być dla ciebie zaskoczeniem – będzie dostępna po cenie znacznie niższej niż obecne ogniwa krzemowe. Badacze urządzeń fotowoltaicznych zakładają, że ta warta 42 miliardy dolarów branża gospodarki już wkrótce zostanie zdominowana przez strukturą nazwaną perowskitami.

Perowskity – nadzieja na okiełznanie słońca

Perowskity to minerały posiadające specyficzną, krystaliczną strukturę. Mogą być wytwarzane zarówno w laboratorium, poprzez syntezę chemiczną, jak również występują w środowisku naturalnym. Pierwszym opisanym perowskitem jest tytanian wapnia, który został odkryty w skałach Uralu.

Pokładana w nim nadzieja zasadza się na niespotykanym dotąd sposobie aplikacji nowej technologii. Perowskity mogą być mieszane z płynnymi substancjami i rozpylane na różnych powierzchniach. Dzięki temu niewykluczone, że zaczną odgrywać kluczowa rolę w rozprzestrzenianiu się technologii pozyskiwania energii ze słońca zdecydowanie bardziej skutecznej niż obecna – krzemowa.

 

Jedna z brytyjskich firm do końca 2018 roku założyła sobie jako cel udostępnienie nowej technologii z użyciem perowskitów na cienkiej folii do użytku komercyjnego.

– Jest to przedbieg tanich technologii słonecznych – zapowiada prof. Hirishei Segawa z Uniwersytetu w Tokio, który od pięciu lat prowadzi projekt finansowany przez japoński rząd, przy którym pracuje kilka uniwersytetów i firm – m.in. Panasonic i Fujifilm.

 

Niedawne badania wskazujące na potencjał materiału z perowskitami przykuwają uwagę społeczności badającej energię słoneczną. Na Światowym Forum Ekonomicznym został on wybrany jako jedna z 10 największych technologii 2016 roku. Tymczasem producenci paneli słonecznych i najlepsze uniwersytety w Europie, USA i Azji prześcigają się na drodze do komercjalizacji technologii, a naukowcy opracowując coraz to nowocześniejsze patenty wytwarzają około 1500 dokumentów rocznie.

Wady i zalety perowskitów

Perowskity po raz pierwszy odkrył w 2006 roku Tsutomu Miyaseka, profesor Toin University of Yokohama. Wówczas materiał został zbadany przez studenta zainteresowanego testowaniem, w jaki sposób materiał mógłby przekształcić światło słoneczne w energię elektryczną. Mimo iż badaniom zostało poddanych wiele różnych materiałów, japoński naukowiec nie przypuszczał, że syntetyzowane kryształy będą aż takim przełomem.

 

Pomysł wykorzystania perowskitów – o strukturze odpowiadającej minerałom zwanym perowskitami od nazwiska rosyjskiego mineraloga Lwa Perowskiego – początkowo nie rozwijał się. Jego struktura była mało zrozumiała, a przemysł już zachłysnął się krzemem jako najlepszym materiałem, który przekształci światło słoneczne w energię elektryczną. Krzemowe ogniwa słoneczne zdominowały przemysł. Globalne dostawy urządzeń do produkcji energii ze słońca z ich wykorzystaniem wyniosły w 2016 roku osiągnęły sumy 41,9 mld dolarów łącznie. Niemniej mają one wady. Największą z nich jest ogromna ilości energii potrzebna do tego, aby wytworzyć krzem w ogniwach słonecznych.

 

Od opublikowania pierwszych wyników badań z perowskitami przez zespół profesora Miyasaka w „Journal of the American Chemical Society” w 2009 roku, sytuacja ta zaczęła jednak się zmieniać.

– Z powodu niskiej efektywności, a także niezrozumienia działania technologii nasze teorie zostały obalone przez czasopisma takie jak „Nature and Science” – relacjonuje Miyasaka. –Wielokrotnie mówiliśmy o prowskitach, ale nie było odzewu. 99% ludzi nie rozumiało, czym jest ten materiał, więc postanowili go zignorować – wyjaśnia.

Nieprzewidziany rozwój

Od tego czasu wiele się zmieniło. Badania udowodniły, ze perowskity mogą przekształcić światło słoneczne w energię elektryczną skuteczniej niż początkowo uważano. Wielki przełom nastąpił w 2012 roku, kiedy udowodniono, że część światła słonecznego zamieniana na energię elektryczną dzięki użyciu perowskitów wzrosła powyżej 10% po raz pierwszy od początku badań nad OZE. Zdaniem Martina Greena, profesora na Uniwersytecie w Nowej Południowej Walii, który również badał perowskty, przekroczenie tego progu zainteresowało również naukowców pracujących nad innymi technologiami przynoszącymi niższą wydajność.

Tymczasem w toku kolejnych prac skuteczność urządzeń uległa dalszej poprawie, osiągając poziom ponad 20% zamienianej energii. Osiągnięcie tego stanu technologii krzemowej zajęło lata. Co więcej, chociaż tradycyjne ogniwa fotowoltaiczne wciąż poprawiają swoją wydajność, pozostają na tym samym poziomie efektywności niezmiennie od ponad 15 lat.

 

– Nagle pojawiło się 10 000 naukowców, którzy zmienili obszar swoich zainteresowań w jedną noc – skomentował profesor Green.

Poprawa wydajności wciąż postępuje. W grudniu ubiegłego roku inżynierowie z Green University w Nowej Południowej Walii ogłosili, że osiągnęli 12,1% efektywności w komórce o powierzchni 16 cm2. Jest to najwyższa efektywność dla dużej elektrowni słonecznej z użyciem perowskitów. Na mniejszych powierzchniach udało się natomiast osiągnąć większą wydajność.

 

We wrześniu Ecole Politechnique Federale de Lausanne (EPFL) w Szwajcarii potwierdził, że ich naukowcy osiągnęli skuteczność na poziomie 21,6%, dodając do materiału rubidium w celu poprawy stabilności systemu. Podobny efekt osiągnęli w październiku badacze ze Stanford Univeristy i Oxford University, doprowadzając technologię do poziomu 20,3% efektywności. Taki wynik to efekt użycia do wychwytywania fal świetlnych o niskiej i wysokiej energii układu dwóch komórek perowskitów.

Wszystko ze słońca

Badania zmierzają do umieszczania perowskitów na dachach samochodów, powierzchniach okien czy ścian budynków. Firma Oxford Photovoltaics Ltd., utworzona w oderwaniu od Uniwersytetu w Oxfordzie, twierdzi, że obecnie opracowuje cienkie perforacyjne ogniwa słoneczne, które mogą być drukowane bezpośrednio na krzemowych ogniwach słonecznych. W grudniu przedsiębiorstwo poinformowało, że na kolejne prace udoskonalające uzyskała dodatkowe środki w wysokości 8 milionów funtów (10 milionów dolarów) od inwestorów, w tym Statoil ASA.

 

– Spodziewamy się, że do końca 2017 roku będziemy mieć produkt spełniający wymogi branżowe – zapowiedział Frank Avendung, dyrektor generalny Oxford PV. – Potrzeba jeszcze trochę czasu na kwalifikacje, certyfikację i produkcję, ale nasz pierwszy produkt może być komercyjnie dostępny już pod koniec 2018 roku.

Chłodne zamiary wobec słonecznych technologii

Wyzwania jednak pozostają. Po pierwsze naukowcy muszą wymyślić sposób na to, aby materiał pozostał stabilny na zewnątrz przez dłuższy okres czasu. Zdaniem Masanori Lida, zajmujący się technologią i projektowaniem w firmie Panasonic, konieczne jest również ulepszenie metody pokrywania materiałem dużych powierzchni.

– Perowskity nie są gotowe na premierę – ocenił Robert Amstrong, dyrektor Inicjatywy Energetycznej Massachusetts Intitute of Technology.– Zbyt szybko się zużywają – dodał zapewniając, że trwają badania nad większą stabilnością technologii.

 

Również pozostali badacze bardzo ostrożnie oceniają możliwość komercjalizacji nowej metody w chwili obecnej.

– Na pewno będzie to więcej niż 5 lat, ale może również nigdy nie nastąpić – podsumowuje tajemniczo profesor Green. – Każda technologia, która ma być sprzedawana, musi być certyfikowana, a proces testowania może zająć trochę czasu – dodaje.