Perovskite solpaneler

Ett ämne känt av forskare i mer än hundra år, först idag, i början av XXI-talet, visade det sig vara mycket lovande material för produktion av billiga och effektiva solceller. Perovskite, eller kalciumtitanat, hittades först i form av ett mineral av den tyska geologen Gustav Rosa i Uralbergen tillbaka 1839, och uppkallad efter greve Lev Alekseevich Perovsky, en härlig statsman och samlare av mineraler, hjälten i det patriotiska kriget 1812, visade sig vara den mest lämpliga utmanaren för alternativet till kisel i produktionen av solceller.

Som ett ämne användes kalciumtitanat i stor utsträckning endast till en dielektrik för flerskikts keramiska kondensatorer. Och nu försöker de använda den för att bygga mycket effektiva solpaneler, eftersom det visade sig att detta material perfekt absorberar ljus.

Vanligt, länge traditionellt solpaneler i kisel vid en tjocklek av 180 mikron absorberar de lika mycket ljus som perovskite absorberar vid en tjocklek av endast 1 mikron. Perovskite, precis som kisel, är en halvledare, och den överför elektrisk laddning på samma sätt under påverkan av ljus, men spektrumet av ljus som omvandlas till el i perovskite är bredare än det för kisel.

Strukturen för den kristallina substansen av kalciumtitanat är identisk med strukturen för perovskitmineralet, därför är deras namn detsamma. Och det är detta ämne som idag är en av de ledande platserna i rankningen av optimeringsvägar för solenergi.

Saken är att kiselbaserade solpaneler kostar i genomsnitt 75 cent per 1 kW idag, och perovskitbaserade solpaneler kommer att sänka sina kostnader till 10-15 cent per 1 kW, det vill säga perovskit solteknik på 5-7 gånger billigare än kisel både vid produktion av batterier och i deras drift, och mängden producerad el är densamma.

Och detta trots att energibranschanalytiker hävdar att solenergin redan blir till en kostnad av 50 cent per 1 kW blir konkurrenskraftig med fossila bränslen. Det vill säga att övergången till perovskite på global nivå kommer att sänka kostnaden för elproduktion med flera gånger, medan produktionsprocessen för själva panelerna kommer att vara mycket enkel.

Studier för att utvärdera och förbättra effektiviteten hos perovskitbaserade solceller genomförs i många länder: i Australien, Martin Green, i Schweiz, Michael Gretzel, i USA, Henry Saint, Felix Deshler, Leaming Day och Korea, Sok Sang Il. Forskare säger med en röst om den lovande teknikens låga kostnad och effektivitet.

Michael Gretzel hävdar att hans effektivitet på 15% lätt kan ökas till 25% och billiga solceller från de för närvarande tillgängliga når inte 15%. För första gången, 2009, när de bara pratade om möjligheterna att använda perovskite för solenergi, erhölls en verkningsgrad på 3,5%, och cellerna var kortlivade, eftersom den flytande elektrolyten upplöst perovskite, och så snart forskare hade tid att mäta, slutade batteriet att fungera.

Efter tre år ersattes dock den flytande elektrolyten med en fast, och cellerna blev mer stabila, och effektiviteten fördubblades först och sedan fördubblades igen. Flera elektriskt ledande substratskikt, varav ett var pigmenterat, löste problemet och öppnade utsikterna. Åtgärder för att förbättra effektiviteten slutar inte idag, forskare använder bland annat standardoptimeringsmetoder som tjänade till att förbättra kiselförstadierna.

Michael Gretzel är säker på att 25% effektivitet kommer att leda till en revolution inom solenergin.En professor från Australien, Martin Green, en av pionjärerna inom forskning, hävdar att kiselfria batterier är så enkla att tillverka och effektiva att hantera att det definitivt är en säkerhet om att framtiden för solpaneler på Perovskite är ljus, eftersom preliminära uppskattningar redan förutspår en enorm prisminskning - vid 7 tid.

En grupp forskare från Korea, under ledning av Sok Sang Il, utvecklade sin egen formel genom att blanda bly-ammoniumbromid med blyformamidinjodid, forskare uppnådde en sådan perovskitstruktur att de uppnådde en rekordeffektivitet på 17,9%. Att använda blandningen gör det möjligt att skriva ut solceller och deras kostnader kommer att minskas ytterligare. Problemet kvarstår - materialet upplöses i vatten, dessutom översteg storleken på cellerna i testerna inte 10 kvadrat mm, så forskningen fortsätter.

Processen att tillverka perovskitiska solceller verkar för forskare ganska enkel. Vätskan sprayas helt enkelt på ytan eller appliceras i form av ånga, vilket är mycket enkelt att implementera tekniskt. Flera materialskikt appliceras på metallfolie eller glas, varav ett är perovskite.

Här behövs andra material för att underlätta förflyttningen av elektroner inom elementet. Tillverkningsprocessen är nära idealisk. Oxford University-fysiker Henry Saint, som arbetar med att utveckla perovskitceller i USA, är övertygad om att lager av solpanelen kommer att appliceras lika lätt som med en vanlig färg på en yta.

Trots de framväxande utsikterna var forskare uppdelade i två läger. Den förra förespråkar förbättring av kiselbatterier som redan har blivit traditionella, medan de andra förespråkar skapandet av helt nya, mer effektiva. Så Martin Green tror att perovskite kan användas som ett komplement till kiselbatterier genom att kombinera kisel med perovskite och därmed minska kostnaden för en watt el som produceras utan betydande förluster för kiselindustrin. Michael Gretzel är tvärtom övertygad om att ny utveckling är viktig och kostnaden för att öka effektiviteten för nya fotoceller kommer att betala sig många gånger.

Många företag arbetar redan med den kommersiella implementeringen av produkten, för trots att möjligheterna med perovskite just börjat förverkligas har ledande experter inom solenergi redan vänt uppmärksamheten på framtiden. Australiska och turkiska företag närmade sig aktivt kommersialiseringen av perovskite solpaneler, och enligt prognoserna kommer de att presenteras på världsmarknaden 2018.

Trots vissa företags optimism visar erfarenheten att det vanligtvis tar tio år för en ny teknik att gå från laboratoriet till marknaden, och under denna tid kan kiselbatterier kanske ta över perovskite. Gretzel säljer förresten en licens för ny teknik till företag som tänker följa det traditionella kiselvägen.

Konkurrensen på marknaden för solenergi är också hög och alla nya spelare möter den. Kostnaden för kiselpaneler reduceras, och enligt vissa analytiker kan den sjunka till 25 cent per 1 kW, vilket helt berövar fördelarna med perovskite-teknik.

Förekomsten av en liten mängd bly i pigmentet, som är giftigt, förblir ett problem. Experimentella studier kommer att avslöja hur giftig perovskite är. Det är värt att uppmärksamma bortskaffandet av begagnade batterier, som är fallet med startbilsbatterier. Men i princip kan tenn eller något liknande användas istället för bly.

Samtidigt började forskare från Ohio under ledning av Leaming Dai att elektrifiera elbilar med hjälp av perovskit solpaneler. De utvecklade den mest fördelaktiga kombinationen av solpaneler med elbilbatterier än någonsin tidigare.

Genom att ansluta fyra perovskite-batterier till ett litiumbatteri uppnådde forskare en effektivitet på 7,8% i den hittills effektivaste konfigurationen, som överträffade tidigare lösningar för att kombinera solceller med superkapacitatorer och batterier.

Flerskiktspaneler har ökat densiteten och stabiliteten för energi från solen. Tester har visat att tre lager av perovskite omvandlas, om så önskas, till en film. Med ett encelligt område på högst 10 kvadrat mm uppnådde forskarna en effektivitet på 12,65% av en myntstorlekomvandlare, men med hänsyn till konvertering och lagring av energi var effektiviteten 7,8% i cykliskt läge.

Sådana system kan enligt utvecklarna i framtiden inte bara ladda elbilar utan kommer också att installeras i form av en flexibel film på karosser. Tekniken verkar idealisk för elfordon.

Anmärkningsvärd är perovskites förmåga att återemission. En forskare vid University of Cambridge, Felix Deschler, upptäckte att perovskite har en unik egenskap. När ljus kommer in i materialet omvandlas inte fotonenergin bara till elektricitet, en del av laddningen omvandlas tillbaka till fotoner.

Om panelen kan återanvända dessa fotoner blir den insamlade energin ännu större. Deshlers grupp genomförde ett experiment i vilket laserstrålen koncentrerades på en 0,5 mikron tjock perovskitesektion och ljus släpptes ut någon annanstans i provet. Silikon har till exempel inte förmågan att överföra energi i sig själv och åter släppa ut den.

Därför är utsikterna för perovskite enorma, och vem vet, det kan vara ungefär den tiden då varje hus och varje bil kommer att utrustas med perovskite-batterier, eftersom det blir ekonomiskt olönsamt och inte tillrådligt att förorena miljön med förbränningsprodukter med fossilt bränsle.