Perovskite ηλιακά πάνελ

Μια ουσία γνωστή στους επιστήμονες για περισσότερο από εκατό χρόνια, μόνο σήμερα, στις αρχές του XXI αιώνα, αποδείχθηκε πολύ υποσχόμενο υλικό για την παραγωγή φτηνών και αποτελεσματικών ηλιακών κυττάρων. Ο περοβσκίτης ή το τιτανικό ασβέστιο, που βρέθηκε για πρώτη φορά υπό μορφή ορυκτών από τον γερμανό γεωλόγο Gustav Rosa στα ορεινά Ουράλ το 1839, και το όνομά του από τον αρίθμηση Λεβ Αλεκεσεβίχ Περοβσκυ, ένας λαμπρός πολιτικός και συλλέκτης ορυκτών, ο ήρωας του Πατριωτικού Πολέμου του 1812, αποδείχθηκε ο καταλληλότερος υποψήφιος για το ρόλο της εναλλακτικής χρήσης πυριτίου στην παραγωγή ηλιακών κυψελών.

Ως ουσία, μέχρι πρόσφατα, το τιτανικό ασβέστιο χρησιμοποιείται ευρέως μόνο ως διηλεκτρικό για κεραμικούς πυκνωτές πολλαπλών στρωμάτων. Και τώρα προσπαθούν να το εφαρμόσουν για την κατασκευή ιδιαίτερα αποδοτικών ηλιακών συλλεκτών, καθώς αποδείχθηκε ότι το υλικό απορροφά τέλεια το φως.

Τακτική, μακρά παραδοσιακή πυριτίου ηλιακά πάνελ σε πάχος 180 μικρών, απορροφούν τόσο πολύ φως όσο ο απορροφητήρας θα απορροφήσει σε πάχος μόνο 1 μικρού. Ο περοβσκίτης, ακριβώς όπως το πυρίτιο, είναι ημιαγωγός και μεταφέρει ηλεκτρικό φορτίο με τον ίδιο τρόπο υπό την επίδραση του φωτός, αλλά το φάσμα του φωτός που μετατρέπεται σε ηλεκτρικό ρεύμα σε περοβσκίτη είναι ευρύτερο από εκείνο του πυριτίου.

Η δομή της κρυσταλλικής ουσίας του τιτανικού ασβεστίου είναι πανομοιότυπη με τη δομή του μεταλλεύματος περοβσκίτη, επομένως το όνομά τους είναι το ίδιο. Και αυτή η ουσία είναι σήμερα σε ένα από τα κορυφαία σημεία στην κατάταξη των διαδρομών βελτιστοποίησης για την ηλιακή ενέργεια.

Το γεγονός είναι ότι οι ηλιακοί συλλέκτες με πυρίτιο κοστίζουν κατά μέσο όρο 75 σεντ ανά 1 kW σήμερα, και οι ηλιακοί συλλέκτες με βάση το perovskite θα μειώσουν το κόστος τους στα 10-15 σεντ ανά 1 kW, δηλαδή στην τεχνολογία perovskite solar in 5-7 φορές φθηνότερα από το πυρίτιο τόσο στην παραγωγή ηλεκτρικών στηλών όσο και στη λειτουργία τους και η ποσότητα παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας είναι η ίδια.

Και αυτό παρά το γεγονός ότι οι αναλυτές της βιομηχανίας ενέργειας ισχυρίζονται ότι ήδη με κόστος 50 σεντ ανά 1 kW, η ηλιακή ενέργεια γίνεται ανταγωνιστική με τα ορυκτά καύσιμα. Δηλαδή, η μετάβαση σε περοβσκίτη σε παγκόσμια κλίμακα θα μειώσει το κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αρκετές φορές, ενώ η διαδικασία παραγωγής των πάνελ θα είναι πολύ απλή.

Μελέτες για την αξιολόγηση και βελτίωση της αποδοτικότητας των ηλιακών κυψελών με βάση το perovskite εκτελούνται σε πολλές χώρες: στην Αυστραλία, Martin Green, στην Ελβετία, στον Michael Gretzel στις Η.Π.Α., Henry Saint, Felix Deshler, Leaming Day και Korea Sok Sang Il. Οι ερευνητές λένε με μία φωνή για το χαμηλό κόστος και την υψηλή απόδοση της πολλά υποσχόμενης τεχνολογίας.

Ο Michael Gretzel υποστηρίζει ότι η αποτελεσματικότητά του κατά 15% μπορεί εύκολα να αυξηθεί στο 25% και τα φθηνά ηλιακά κύτταρα από τα διαθέσιμα σήμερα δεν φθάνουν το 15%. Για πρώτη φορά, το 2009, όταν μιλούσαν για τις δυνατότητες χρήσης του perovskite για ηλιακή ενέργεια, αποκτήθηκε απόδοση 3,5% και τα κύτταρα ήταν βραχύβια, καθώς ο υγρός ηλεκτρολύτης διαλύθηκε perovskite, και μόλις οι επιστήμονες είχαν χρόνο μέτρησης, η μπαταρία σταμάτησε να λειτουργεί.

Ωστόσο, μετά από τρία χρόνια, ο υγρός ηλεκτρολύτης αντικαταστάθηκε από ένα στερεό και τα κύτταρα έγιναν πιο σταθερά και η απόδοση πρώτα διπλασιάστηκε και στη συνέχεια διπλασιάστηκε και πάλι. Αρκετά ηλεκτρικά αγώγιμα στρώματα υποστρώματος, ένα από τα οποία ήταν χρωματισμένα, λύνουν το πρόβλημα και ανοίγουν την προοπτική. Τα βήματα για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας δεν σταματούν μέχρι σήμερα, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν, μεταξύ άλλων, τις τυποποιημένες μεθόδους βελτιστοποίησης που χρησίμευαν για τη βελτίωση των προδρόμων πυριτίου.

Ο Michael Gretzel είναι σίγουρος ότι η αποδοτικότητα 25% θα οδηγήσει σε επανάσταση στην ηλιακή ενέργεια.Ένας καθηγητής από την Αυστραλία, Martin Green, ένας από τους πρωτοπόρους στην έρευνα, υποστηρίζει ότι οι μπαταρίες πυριτίου είναι τόσο απλές στην κατασκευή και αποτελεσματική λειτουργία, ώστε υπάρχει σίγουρη βεβαιότητα ότι το μέλλον των ηλιακών συλλεκτών στο Perovskite είναι φωτεινό, επειδή προκαταρκτικές εκτιμήσεις προβλέπουν ήδη τεράστια μείωση της τιμής - φορές.

Μια ομάδα ερευνητών από την Κορέα, με επικεφαλής τον Sok Sang Il, ανέπτυξαν τη δική τους φόρμουλα με ανάμιξη μολύβδου βρωμιούχου αμμωνίου με μόλυβδο ιωδιούχο φορμαμιδίνη, οι επιστήμονες πέτυχαν μια τέτοια δομή περοβσκίτη, που καθόρισαν ρεκόρ απόδοσης 17,9%. Η χρήση του μείγματος θα επιτρέψει την εκτύπωση ηλιακών κυψελών και το κόστος τους θα μειωθεί περαιτέρω. Το πρόβλημα παραμένει - το υλικό διαλύεται στο νερό, επιπλέον, το μέγεθος των κυττάρων στις δοκιμές δεν υπερβαίνει τα 10 τετραγωνικά χιλιοστά, συνεπώς η έρευνα συνεχίζεται.

Η διαδικασία κατασκευής ηλιακών κυττάρων perovskite φαίνεται να είναι αρκετά απλή στους ερευνητές. Το υγρό ψεκάζεται απλά πάνω στην επιφάνεια ή εφαρμόζεται με τη μορφή ατμού, το οποίο είναι πολύ απλό να εφαρμοστεί τεχνολογικά. Αρκετά στρώματα υλικών εφαρμόζονται σε μεταλλικό φύλλο ή γυαλί, εκ των οποίων το ένα είναι περνοβσκίτης.

Άλλα υλικά χρειάζονται εδώ για να διευκολύνουν την κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα στο στοιχείο. Η διαδικασία κατασκευής είναι κοντά στο ιδανικό. Ο φυσικός επιστήμονας του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, Henry Saint, ο οποίος εργάζεται για την ανάπτυξη κυττάρων περοβσκίτη στις Ηνωμένες Πολιτείες, είναι σίγουρος ότι τα στρώματα του ηλιακού πλαισίου θα εφαρμοστούν τόσο εύκολα όσο με ένα κανονικό χρώμα σε μια επιφάνεια.

Παρά τις αναδυόμενες προοπτικές, οι επιστήμονες χωρίστηκαν σε δύο στρατόπεδα. Οι πρώτοι υποστηρίζουν τη βελτίωση των μπαταριών πυριτίου που έχουν ήδη γίνει παραδοσιακές, ενώ οι άλλοι υποστηρίζουν τη δημιουργία εντελώς νέων, πιο αποδοτικών. Έτσι, ο Martin Green πιστεύει ότι ο perovskite μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως προσθήκη στις μπαταρίες πυριτίου συνδυάζοντας το πυρίτιο με τον perovskite και έτσι να μειώσει το κόστος ενός ρεύματος ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται χωρίς σημαντικές απώλειες για τη βιομηχανία πυριτίου. Ο Michael Gretzel, αντιθέτως, είναι πεπεισμένος ότι οι νέες εξελίξεις είναι σημαντικές και το κόστος αύξησης της αποτελεσματικότητας των νέων φωτοκυττάρων θα αποπληρωθεί πολλές φορές.

Πολλές εταιρείες εργάζονται ήδη για την εμπορική εφαρμογή του προϊόντος, διότι παρά το γεγονός ότι οι δυνατότητες του perovskite μόλις αρχίζουν να υλοποιούνται, κορυφαίοι ειδικοί στον τομέα της ηλιακής ενέργειας έχουν ήδη στρέψει την προσοχή τους στο μέλλον. Αυστραλιανές και τουρκικές εταιρείες συνεργάστηκαν ενεργά με την εμπορευματοποίηση των φωτοβολταϊκών πλαισίων perovskite και, σύμφωνα με τις προβλέψεις, μέχρι το 2018 θα παρουσιαστούν στην παγκόσμια αγορά.

Παρά την αισιοδοξία ορισμένων εταιρειών, η εμπειρία δείχνει ότι συνήθως διαρκεί δέκα χρόνια ώστε μια νέα τεχνολογία να μεταβεί από το εργαστήριο στην αγορά και κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, οι μπαταρίες πυριτίου μπορεί να ξεπεράσουν το perovskite. Gretzel, παρεμπιπτόντως, πωλεί μια άδεια για τη νέα τεχνολογία σε εταιρείες που σκοπεύουν να ακολουθήσουν τον παραδοσιακό τρόπο πυριτίου.

Ο ανταγωνισμός στην αγορά ηλιακής ενέργειας είναι επίσης υψηλός και κάθε νέος παίκτης βρίσκεται αντιμέτωπος με αυτό. Το κόστος των πάνελ πυριτίου μειώνεται και, σύμφωνα με ορισμένους αναλυτές, μπορεί να μειωθεί στα 25 σεντ ανά 1 kW, πράγμα που στερεί πλήρως τα οφέλη της τεχνολογίας perovskite.

Η παρουσία μικρής ποσότητας μολύβδου στη χρωστική ουσία, η οποία είναι τοξική, παραμένει πρόβλημα. Πειραματικές μελέτες έρχονται επάνω που θα αποκαλύψει το πώς το τοξικό perovskite είναι. Αξίζει να δίνετε προσοχή στη διάθεση χρησιμοποιημένων μπαταριών, όπως συμβαίνει με τις μπαταρίες αυτοκινήτων εκκίνησης. Αλλά κατ 'αρχήν, μπορεί να χρησιμοποιηθεί κασσίτερος ή κάτι παρόμοιο αντί του μολύβδου.

Εν τω μεταξύ, οι ερευνητές από το Οχάιο, με επικεφαλής τον Leaming Dai, έκαναν ηλεκτρικά αυτοκίνητα χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά φωτοβολταϊκά πάνελ. Ανέπτυξαν τον πιο ωφέλιμο συνδυασμό ηλιακών συλλεκτών με ηλεκτρικές μπαταρίες αυτοκινήτου από ποτέ.

Συνδέοντας τέσσερις μπαταρίες λιθίου perovskite με μπαταρίες λιθίου, οι επιστήμονες πέτυχαν απόδοση 7,8% στην πλέον αποτελεσματική διαμόρφωση μέχρι σήμερα, κάτι που ξεπέρασε τις προηγούμενες λύσεις για το συνδυασμό ηλιακών κυψελίδων με υπερκατασκευαστές και μπαταρίες.

Οι πολυστρωματικές πλάκες έχουν αυξήσει την πυκνότητα και τη σταθερότητα της ενέργειας που λαμβάνεται από τον ήλιο. Οι δοκιμές έδειξαν ότι τρία στρώματα περοβσκίτη μετασχηματίζονται, εάν είναι επιθυμητό, ​​σε μία μεμβράνη. Με μια μονοκυτταρική περιοχή που δεν υπερβαίνει τα 10 τετραγωνικά χιλιόμετρα, οι ερευνητές πέτυχαν απόδοση 12,65% ενός μετατροπέα μεγέθους κερμάτων, αλλά λαμβάνοντας υπόψη τη μετατροπή και την αποθήκευση ενέργειας, η αποτελεσματικότητα ήταν 7,8% σε κυκλικό τρόπο λειτουργίας.

Τέτοια συστήματα, σύμφωνα με τους προγραμματιστές, θα είναι σε θέση στο μέλλον όχι μόνο να φορτίζουν τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, αλλά θα εγκατασταθούν επίσης με τη μορφή μιας εύκαμπτης μεμβράνης σε σώματα. Η τεχνολογία φαίνεται ιδανική για ηλεκτρικά οχήματα.

Αξιοσημείωτη είναι η ικανότητα του perovskite να επανεμφανιστεί. Ένας επιστήμονας στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, Felix Deschler, ανακάλυψε ότι ο perovskite έχει μια μοναδική ιδιότητα. Όταν το φως μπαίνει στο υλικό, η ενέργεια του φωτονίου δεν μετατρέπεται μόνο σε ηλεκτρισμό, μέρος του φορτίου μετατρέπεται πάλι σε φωτόνια.

Εάν ο πίνακας μπορεί να επαναχρησιμοποιήσει αυτά τα φωτόνια, τότε η συλλεγμένη ενέργεια θα γίνει ακόμη μεγαλύτερη. Η ομάδα του Deshler διενήργησε ένα πείραμα στο οποίο η δέσμη λέιζερ συγκεντρώθηκε σε τμήμα περοβσκίτη πάχους 0,5 micron και το φως εκπέμφθηκε ξανά σε άλλο σημείο του δείγματος. Το πυρίτιο, για παράδειγμα, δεν έχει την ικανότητα να μεταφέρει ενέργεια μέσα στο ίδιο και να το εκπέμπει ξανά.

Επομένως, οι προοπτικές για το perovskite είναι τεράστιες και ποιος ξέρει ότι μπορεί να είναι ακριβώς γύρω από το χρόνο που κάθε σπίτι και κάθε αυτοκίνητο θα είναι εξοπλισμένο με μπαταρίες perovskite, καθώς θα είναι οικονομικά ασύμφορο και δεν είναι σκόπιμο να ρυπαίνουν το περιβάλλον με προϊόντα καύσης ορυκτών καυσίμων.