Solární panely Perovskite

Látka známá vědcům více než sto let, teprve dnes, na začátku XXI století, se ukázala jako velmi slibný materiál pro výrobu levných a efektivních solárních článků. Perovskit neboli titaničitan vápenatý, poprvé nalezený ve formě minerálu německým geologem Gustavem Rosou v pohoří Ural v roce 1839, a pojmenovaný podle hraběte Leva Alekseeviče Perovského, slavného státníka a sběratele minerálů, hrdiny vlastenecké války z roku 1812, se ukázal jako nejvhodnější uchazeč o úloha alternativy křemíku při výrobě solárních článků.

Jako látka se donedávna titaničitan vápenatý široce používal pouze jako dielektrikum pro vícevrstvé keramické kondenzátory. A teď se to snaží použít k vytvoření vysoce účinných solárních panelů, protože se ukázalo, že tento materiál dokonale pohlcuje světlo.

Obyčejný, dlouhý tradiční křemíkové solární panely při tloušťce 180 mikronů absorbují tolik světla, kolik perovskitu absorbuje při tloušťce pouze 1 mikron. Perovskit, stejně jako křemík, je polovodič, a přenáší elektrický náboj stejným způsobem pod vlivem světla, ale spektrum světla přeměněné na elektřinu v perovskitu je širší než spektrum křemíku.

Struktura krystalické látky titaničitanu vápenatého je totožná se strukturou perovskitového minerálu, proto je jejich název stejný. A právě tato látka je dnes jedním z předních míst v žebříčku optimalizačních cest sluneční energie.

Věc je taková, že solární panely na bázi křemíku dnes stojí v průměru 75 centů na 1 kW a solární panely na bázi perovskitu sníží své náklady na 10-15 centů na 1 kW, tj. Solární technologie na perovskite za 5-7 časy levnější než křemík jak při výrobě baterií, tak při jejich provozu, a množství vyrobené elektřiny je stejné.

A to navzdory skutečnosti, že analytici energetického průmyslu tvrdí, že již při ceně 50 centů na 1 kW se sluneční energie stává konkurenceschopnou s fosilními palivy. To znamená, že přechod na perovskit v celosvětovém měřítku několikrát sníží náklady na výrobu elektřiny, zatímco výrobní proces samotných panelů bude velmi jednoduchý.

Studie za účelem vyhodnocení a zlepšení účinnosti solárních článků na bázi perovskitu se provádějí v mnoha zemích: v Austrálii, Martin Green, ve Švýcarsku, Michael Gretzel, v USA, Henry Saint, Felix Deshler, Leaming Day a Korea, Sok Sang Il. Vědci jednají jedním hlasem o nízkých nákladech a vysoké účinnosti slibné technologie.

Michael Gretzel tvrdí, že jeho účinnost 15% lze snadno zvýšit na 25% a levné solární články z aktuálně dostupných zdrojů nedosahují 15%. Poprvé v roce 2009, když právě mluvili o možnostech využití perovskitu pro sluneční energii, byla získána účinnost 3,5% a články byly krátkodobé, protože kapalný elektrolyt rozpuštěl perovskit, a jakmile vědci měli čas na měření, baterie přestala fungovat.

O tři roky později však byl tekutý elektrolyt nahrazen pevným a buňky se staly stabilnější a účinnost se nejprve zdvojnásobila a poté se znovu zdvojnásobila. Několik elektricky vodivých substrátových vrstev, z nichž jedna byla pigmentovaná, vyřešilo problém a otevřelo vyhlídku. Kroky ke zlepšení účinnosti se nezastavují dodnes, vědci používají mimo jiné standardní optimalizační metody, které sloužily ke zlepšení prekurzorů křemíku.

Michael Gretzel je přesvědčen, že 25% účinnost povede k revoluci sluneční energie.Profesor z Austrálie, Martin Green, jeden z průkopníků ve výzkumu, tvrdí, že baterie neobsahující křemík se vyrábějí tak snadno a efektivně, že je určitě jisté, že budoucnost solárních panelů na Perovskite je jasná, protože předběžné odhady již předpovídají obrovské snížení ceny - na 7 krát.

Skupina vědců z Koreje, vedená Sokem Sangem II, vyvinula svůj vlastní vzorec smícháním olovnatého bromidu amonného s jodidem formamidinu olovnatého a vědci dosáhli takové perovskitové struktury, že stanovili rekordní účinnost 17,9%. Použití směsi umožní tisk solárních článků a jejich náklady budou dále sníženy. Problém zůstává - materiál se rozpustí ve vodě, navíc velikost buněk v testech nepřesáhla 10 mm2, takže výzkum pokračuje.

Proces výroby perovskitových solárních článků se zdá být vědcům docela jednoduchý. Kapalina se jednoduše nastříká na povrch nebo se aplikuje ve formě páry, což je velmi jednoduché technologicky realizovat. Na kovové fólie nebo sklo se nanese několik vrstev materiálů, z nichž jedna je perovskit.

K usnadnění pohybu elektronů uvnitř prvku jsou zde potřebné další materiály. Výrobní proces je téměř ideální. Fyzik Oxfordské univerzity Henry Saint, který pracuje na vývoji perovskitových buněk ve Spojených státech, je přesvědčen, že vrstvy solárního panelu budou aplikovány stejně snadno jako s běžnou barvou na povrchu.

Přes objevující se vyhlídky byli vědci rozděleni do dvou táborů. První se zasazuje o zdokonalení silikonových baterií, které se již staly tradičními, zatímco ostatní se zasazují o vytvoření zcela nových a efektivnějších baterií. Martin Green se proto domnívá, že perovskit lze použít jako přídavek k silikonovým bateriím kombinací křemíku s perovskitem, a tak snížit náklady na watt vyrobené elektřiny bez výrazných ztrát pro silikonový průmysl. Michael Gretzel je naopak přesvědčen, že nový vývoj je důležitý a náklady na zvýšení účinnosti nových fotobuněk se mnohokrát vyplatí.

Mnoho společností již pracuje na komerční implementaci produktu, protože přes skutečnost, že možnosti perovskitu se teprve začínají realizovat, přední odborníci v oblasti solární energie již obrátili svou pozornost do budoucnosti. Australské a turecké společnosti společně aktivně přistoupily k komercializaci perovskitových solárních panelů a do roku 2018 budou podle prognóz představeny na světovém trhu.

I přes optimismus některých společností zkušenosti ukazují, že obvykle trvá deset let, než se nová technologie dostane z laboratoře na trh, a během této doby mohou křemíkové baterie předstihnout perovskit. Gretzel mimochodem prodává licenci na nové technologie společnostem, které hodlají následovat tradiční způsob křemíku.

Konkurence na trhu se solární energií je také vysoká a každý nový hráč se s tím potýká. Náklady na křemíkové panely jsou sníženy a podle některých analytiků mohou klesnout na 25 centů na 1 kW, což zcela zbavuje výhody perovskitové technologie.

Problémem zůstává přítomnost malého množství olova v pigmentu, který je toxický. Připravují se experimentální studie, které odhalí, jak toxický je perovskit. Je třeba věnovat pozornost likvidaci použitých baterií, jako je tomu v případě startovacích autobaterií. Ale v zásadě lze místo olova použít cín nebo něco podobného.

Mezitím se vědci z Ohia pod vedením Leaming Dai začali věnovat elektrizaci elektrických automobilů pomocí solárních panelů perovskitu. Vyvinuli nejvýhodnější kombinaci solárních panelů s elektrickými autobateriemi než kdy předtím.

Spojením čtyř perovskitových baterií s lithiovou baterií vědci dosáhli účinnosti 7,8% v dosud nejúčinnější konfiguraci, která překonala předchozí řešení pro kombinaci solárních článků se superkondenzátory a bateriemi.

Vícevrstvé panely zvýšily hustotu a stabilitu energie přijaté ze slunce. Testy ukázaly, že tři vrstvy perovskitu jsou transformovány, pokud je to žádoucí, na jeden film. S jednobuněčnou plochou nejvýše 10 čtverečních mm dosáhli vědci účinnosti 12,65% konvertoru velikosti mince, avšak s ohledem na přeměnu a ukládání energie byla účinnost v cyklickém režimu 7,8%.

Takové systémy budou podle vývojářů v budoucnu moci nejen nabíjet elektromobily, ale budou také instalovány ve formě pružného filmu na karoserie. Tato technologie se zdá být ideální pro elektrická vozidla.

Pozoruhodná je schopnost perovskitu znovu se uvolnit. Vědec z University of Cambridge Felix Deschler zjistil, že perovskit má jedinečnou vlastnost. Když světlo vstoupí do materiálu, energie fotonu není přeměněna pouze na elektřinu, část náboje je přeměněna zpět na fotony.

Pokud panel bude moci tyto fotony znovu použít, shromážděná energie bude ještě větší. Deshlerova skupina provedla experiment, ve kterém byl laserový paprsek koncentrován na 0,5 mikronovou sekci perovskitu a světlo bylo znovu emitováno jinde ve vzorku. Například křemík nemá schopnost přenášet energii uvnitř sebe a znovu ji emitovat.

Vyhlídky na perovskit jsou tedy obrovské a kdo ví, může to být právě v době, kdy bude každý dům a každé auto vybaveno perovskitovými bateriemi, protože to bude ekonomicky nerentabilní a nedoporučuje se znečišťovat životní prostředí produkty spalování fosilních paliv.