Solarni paneli Perovskite

Tvar poznata znanstvenicima više od stotinu godina, tek se danas, početkom XXI stoljeća, pokazala kao vrlo perspektivan materijal za proizvodnju jeftinih i učinkovitih solarnih ćelija. Perovskite, odnosno kalcijev titanat, prvi put pronađen u obliku minerala od njemačkog geologa Gustava Rosa na Uralskim planinama davne 1839. godine, a nazvan je po grofu Levu Aleksejeviču Perovskom, slavnom državniku i sakupljaču minerala, heroju Domovinskog rata 1812., pokazao se kao najprikladniji kandidat za uloga alternativa siliciju u proizvodnji solarnih ćelija.

Kao tvar, donedavno se kalcijev titanat široko koristio samo kao dielektrik za višeslojne keramičke kondenzatore. A sada ga pokušavaju primijeniti za izgradnju vrlo učinkovitih solarnih panela, jer se pokazalo da ovaj materijal savršeno apsorbira svjetlost.

Obični, dugo tradicionalni silicijski solarni paneli pri debljini od 180 mikrona apsorbiraju onoliko svjetla koliko će perovskit apsorbirati debljinom od samo 1 mikrona. Perovskit je, baš kao i silicij, poluvodič, a pod utjecajem svjetlosti prenosi električni naboj na isti način, ali spektar svjetlosti pretvoren u električnu energiju u perovskitu je širi od silicijuma.

Struktura kristalne tvari kalcijevog titanata identična je strukturi minerala perovskita, pa je njihovo ime isto. Upravo se ta supstanca nalazi danas na jednom od vodećih mjesta u rangiranju putova optimizacije za solarnu energiju.

Stvar je u tome što solarni paneli na bazi silikona danas koštaju prosječno 75 centi po 1 kW, a solarni paneli na bazi perovskita smanjit će njihove troškove na 10-15 centi po 1 kW, odnosno perovskite solarna tehnologija u 5-7 puta jeftiniji od silikona i u proizvodnji baterija i u njihovom radu, a količina proizvedene električne energije je ista.

I to unatoč činjenici da analitičari energetske industrije tvrde da već po cijeni od 50 centi po 1 kW, solarna energija postaje konkurentna fosilnim gorivima. Odnosno, prijelaz na perovskite na globalnoj razini smanjit će troškove proizvodnje električne energije za nekoliko puta, dok će sam proces proizvodnje samih ploča biti vrlo jednostavan.

Studije za procjenu i poboljšanje učinkovitosti solarnih ćelija na bazi perovskita provode se u mnogim zemljama: Martin Green u Australiji, Michael Gretzel u Švicarskoj, Henry Saint, Felix Deshler, Leaming Dye u SAD-u i Sok Sang Il u Koreji. Istraživači jednim glasom kažu o niskoj cijeni i visokoj učinkovitosti obećavajuće tehnologije.

Michael Gretzel tvrdi da se njegova učinkovitost od 15% lako može povećati na 25%, a jeftine solarne ćelije s trenutno dostupnih ne dosežu 15%. Prvi put, 2009. godine, kada su samo govorili o mogućnosti korištenja perovskita za solarnu energiju, dobivena je učinkovitost od 3,5%, a elementi su bili kratkotrajni, budući da je tekući elektrolit otopio perovskit, a čim su znanstvenici imali vremena za mjerenje, baterija je prestala raditi.

Međutim, nakon tri godine, tekući elektrolit zamijenjen je čvrstim, a stanice su postale stabilnije, a učinkovitost se prvo udvostručila, a zatim se ponovo udvostručila. Nekoliko električno provodljivih slojeva podloge, od kojih je jedan pigmentiran, riješili su problem i otvorili izgled. Koraci za poboljšanje učinkovitosti ne prestaju do danas, znanstvenici koriste, između ostalog, standardne metode optimizacije koje su služile za poboljšanje prekursora silicija.

Michael Gretzel je siguran da će 25-postotna učinkovitost dovesti do revolucije solarne energije.Profesor iz Australije Martin Green, jedan od pionira u istraživanju, tvrdi da su baterije bez silikona toliko jednostavne za proizvodnju i efikasne za rukovanje, da sigurno postoji sigurnost da je budućnost solarnih panela na Perovskite svijetla, jer preliminarne procjene već predviđaju veliko smanjenje cijene - na 7 vrijeme.

Skupina istraživača iz Koreje, pod vodstvom Sok Sang Ila, razvila je vlastitu formulu miješanjem olovnog amonijevog bromida i olovnog formamidin jodida, znanstvenici su postigli takvu strukturu perovskita da su postavili rekordnu učinkovitost od 17,9%. Korištenje smjese omogućit će ispis solarnih ćelija, a njihov trošak će se dodatno smanjiti. Problem ostaje - materijal se otapa u vodi, osim toga, veličina stanica u testovima nije prelazila 10 kvadratnih mm, pa se istraživanje nastavlja.

Postupak proizvodnje solarnih ćelija perovskita čini se istraživačima prilično jednostavan. Tekućina se jednostavno raspršuje na površinu ili se nanosi u obliku pare, što je tehnološki vrlo jednostavno realizirati. Nekoliko slojeva materijala nanosi se na metalnu foliju ili staklo, od kojih je jedan perovskit.

Ovdje su potrebni i drugi materijali kako bi se olakšalo kretanje elektrona unutar elementa. Proces proizvodnje blizu je idealnog. Fizičar sa Sveučilišta Oxford Henry Saint, koji radi na razvoju perovskitnih stanica u Sjedinjenim Državama, uvjeren je da će se slojevi solarnih panela nanositi jednako lako kao i obična boja na površini.

Unatoč novim izgledima, znanstvenici su podijeljeni u dva tabora. Prvi se zalažu za poboljšanje silicijskih baterija koje su već postale tradicionalne, dok druge zagovaraju stvaranje potpuno novih, učinkovitijih. Dakle, Martin Green vjeruje da se perovskit može upotrijebiti kao dodatak silicijskim baterijama kombiniranjem silicija s perovskitom i na taj način smanjiti troškove vata električne energije proizvedene bez značajnih gubitaka za silicijsku industriju. Michael Gretzel, naprotiv, uvjeren je da su nova poboljšanja važna, a troškovi povećanja učinkovitosti novih fotoćelija isplatit će se mnogo puta.

Mnoge tvrtke već rade na komercijalnoj implementaciji proizvoda, jer unatoč činjenici da se mogućnosti perovskita tek počinju prepoznavati, vodeći stručnjaci na području solarne energije već su skrenuli pozornost na budućnost. Australske i turske tvrtke zajedno su aktivno pristupile komercijalizaciji solarnih panela od perovskita, a prema predviđanjima, do 2018. godine bit će predstavljene na svjetskom tržištu.

Unatoč optimizmu nekih tvrtki, iskustvo pokazuje da obično treba oko deset godina da nova tehnologija krene iz laboratorija na tržište, a za to vrijeme silicijske baterije mogu dobro nadvladati perovskite. Gretzel, usput, prodaje licencu za novu tehnologiju tvrtkama koje namjeravaju slijediti tradicionalni način silikona.

Konkurencija na tržištu solarne energije je također velika, a s njom se suočava i svaki novi igrač. Trošak silikonskih ploča je smanjen, a prema nekim analitičarima može pasti na 25 centi po 1 kW, što u potpunosti oduzima prednosti perovskite tehnologije.

Prisutnost male količine olova u pigmentu, koji je toksičan, ostaje problem. Predstoje eksperimentalne studije koje će otkriti koliko je toksičan perovskit. Vrijedno je obratiti pozornost na zbrinjavanje rabljenih baterija, kao što je to slučaj kod početnih akumulatora automobila. Ali u principu se umjesto olova može koristiti kositar ili nešto slično.

U međuvremenu, istraživači iz Ohija, pod vodstvom Leaming Daija, krenuli su u elektrificiranje električnih automobila pomoću solarnih panela iz perovskita. Razvili su najpovoljniju kombinaciju solarnih panela s akumulatorima na električnim automobilima nego ikad prije.

Spajanjem četiri perovskitne baterije na litijumsku bateriju, znanstvenici su postigli učinkovitost od 7,8% u najefikasnijoj konfiguraciji do sada, što je nadmašilo prethodna rješenja za kombiniranje solarnih ćelija sa superkondenzatorima i baterijama.

Višeslojni paneli povećali su gustoću i stabilnost energije dobivene od sunca. Ispitivanja su pokazala da se tri sloja perovskita po želji pretvaraju u jedan film. S površinom jednoćelije koja nije veća od 10 kvadratnih mm, istraživači su postigli učinkovitost od 12,65% pretvarača veličine kovanice, ali uzimajući u obzir pretvorbu i skladištenje energije, učinkovitost je bila 7,8% u cikličkom režimu.

Takvi sustavi, prema programerima, u budućnosti će moći ne samo puniti električne automobile, već će se instalirati i u obliku fleksibilnog filma na karoserijama. Tehnologija se čini idealnom za električna vozila.

Izuzetna je sposobnost perovskita do reemisije. Znanstvenik sa Sveučilišta u Cambridgeu, Felix Deschler, otkrio je da perovskit ima jedinstveno svojstvo. Kad svjetlost uđe u materijal, energija fotona se ne pretvara samo u električnu energiju, dio naboja se pretvara u fotone.

Ako ploča može ponovo koristiti ove fotone, tada će prikupljena energija postati još veća. Deshlerova skupina provela je eksperiment u kojem je laserski snop koncentriran na odjelu perovskita debljine 0,5 mikrona, a svjetlost je ponovo emitirana drugdje u uzorku. Silikon, na primjer, nema sposobnost prenošenja energije u sebi i ponovo ga emitira.

Dakle, izgledi za perovskite su ogromni, i tko zna, možda će biti otprilike u vrijeme kada će svaka kuća i svaki automobil biti opremljeni perovskitnim akumulatorima, jer će to postati ekonomski neisplativo i nije uputno zagađivati ​​okoliš proizvodima sagorijevanja fosilnih goriva.