Świat energii słonecznej jest gotowy na rewolucję. Naukowcy ścigają się, aby opracować nowy typ ogniw słonecznych, wykorzystując materiały, które będą w stanie przetwarzać energię elektryczną wydajniej niż dzisiejsze panele.
W nowym artykule opublikowanym 26 lutego w czasopiśmie Nature Energy badacz z Uniwersytetu Kolorado w Boulder i jego międzynarodowi współpracownicy przedstawili innowacyjną metodę produkcji nowych ogniw słonecznych, zwanych ogniwami perowskitowymi, co jest osiągnięciem krytycznym dla komercjalizacji tego, co wielu uważa za następna generacja technologii słonecznej.
Obecnie prawie wszystkie panele słoneczne są wykonane z krzemu, a ich wydajność wynosi 22%. Oznacza to, że panele krzemowe mogą przekształcić jedynie około jednej piątej energii słonecznej w energię elektryczną, ponieważ materiał pochłania jedynie ograniczoną część długości fal światła słonecznego. Produkcja krzemu jest również kosztowna i energochłonna.
Wprowadź perowskit. Syntetyczny materiał półprzewodnikowy może przekształcić znacznie więcej energii słonecznej niż krzem przy niższych kosztach produkcji.
„Perowskity mogą zmienić reguły gry” – powiedział Michael McGehee, profesor na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Biologicznej oraz pracownik Instytutu Energii Odnawialnej i Zrównoważonej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Boulder.
Naukowcy testowali perowskitowe ogniwa słoneczne, układając je na tradycyjnych ogniwach krzemowych, tworząc ogniwa tandemowe. Nałożenie na siebie dwóch materiałów, z których każdy pochłania inną część widma słonecznego, może potencjalnie zwiększyć wydajność paneli o ponad 50%.
„Nadal obserwujemy szybką elektryfikację i coraz więcej samochodów jest zasilanych energią elektryczną. Mamy nadzieję zamknąć więcej elektrowni węglowych i ostatecznie pozbyć się elektrowni zasilanych gazem ziemnym” – powiedział McGehee. „Jeśli wierzysz, że przyszłość będzie w pełni odnawialna, planujesz rozwój rynków energii wiatrowej i słonecznej co najmniej pięć do dziesięciu razy w stosunku do obecnego poziomu”.
Aby to osiągnąć, powiedział, przemysł musi poprawić wydajność ogniw słonecznych.
Jednak głównym wyzwaniem przy wytwarzaniu ich z perowskitu na skalę komercyjną jest proces powlekania półprzewodnikiem płyt szklanych, które stanowią elementy składowe paneli. Obecnie proces powlekania musi odbywać się w małym pudełku wypełnionym niereaktywnym gazem, takim jak azot, aby zapobiec reakcji perowskitów z tlenem, co zmniejsza ich wydajność.
„Na etapie badań jest to w porządku. Jednak kiedy zaczyna się powlekanie dużych kawałków szkła, robienie tego w pudełku wypełnionym azotem staje się coraz trudniejsze” – powiedział McGehee.
McGehee i jego współpracownicy wyruszyli, aby znaleźć sposób na zapobieżenie tej szkodliwej reakcji z powietrzem. Odkryli, że dodanie mrówczanu dimetyloamonu (DMAFo) do roztworu perowskitu przed powlekaniem może zapobiec utlenianiu materiałów. Odkrycie to umożliwia powlekanie na zewnątrz małego pudełka, w otaczającym powietrzu. Eksperymenty wykazały, że ogniwa perowskitowe wykonane z dodatkiem DMAFo same w sobie mogą osiągnąć sprawność niemal 25%, co jest porównywalne z obecnym rekordem efektywności ogniw perowskitowych wynoszącym 26%.
Dodatek poprawił także stabilność komórek.
Komercyjne panele krzemowe mogą zazwyczaj zachować co najmniej 80% swojej wydajności po 25 latach, tracąc około 1% wydajności rocznie. Komórki perowskitowe są jednak bardziej reaktywne i szybciej ulegają degradacji w powietrzu. Nowe badanie wykazało, że ogniwo perowskitowe wykonane z DMAFo zachowało 90% swojej wydajności po wystawieniu ich na działanie światła LED imitującego światło słoneczne przez 700 godzin. Natomiast ogniwa wykonane na powietrzu bez DMAFo szybko uległy degradacji już po 300 godzinach.
Zauważył, że jest to bardzo zachęcający wynik, ale rok to 8000 godzin. Dlatego potrzebne są dłuższe testy, aby określić, jak te komórki wytrzymują pracę w godzinach nadliczbowych.
„Jest zbyt wcześnie, aby powiedzieć, że są tak stabilne jak panele krzemowe, ale jesteśmy na dobrej drodze w tym kierunku” – powiedział McGehee.
Badanie przybliża perowskitowe ogniwa słoneczne o krok do komercjalizacji. Jednocześnie zespół McGehee aktywnie pracuje nad ogniwami tandemowymi o rzeczywistej sprawności przekraczającej 30%, które mają taki sam okres użytkowania jak panele krzemowe.
McGehee kieruje amerykańskim partnerstwem akademicko-przemysłowym pod nazwą Tandems for Efficient and Advanced Modules using Ultrastable Perovskites (TEAMUP). Wraz z badaczami z trzech innych uniwersytetów, dwóch firm i laboratorium krajowego konsorcjum otrzymało w zeszłym roku fundusze w wysokości 9 milionów dolarów od Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych na opracowanie stabilnych perowskitów tandemowych, które można z powodzeniem wykorzystać w świecie rzeczywistym i które są opłacalne komercyjnie. Celem jest stworzenie tandemu bardziej wydajnego niż konwencjonalne panele krzemowe i równie stabilnego przez okres 25 lat.
Dzięki wyższej wydajności i potencjalnie niższym cenom te ogniwa tandemowe mogą mieć szersze zastosowania niż istniejące panele krzemowe, w tym potencjalną instalację na dachach pojazdów elektrycznych. Mogliby zwiększyć zasięg od 15 do 25 mil dziennie do samochodu pozostawionego na słońcu, co wystarczyłoby na codzienne dojazdy wielu osób. Za pomocą takich paneli mogłyby być także napędzane drony i żaglówki.
McGehee powiedział, że po dziesięciu latach badań nad perowskitami inżynierowie zbudowali ogniwa perowskitowe, które są tak samo wydajne jak ogniwa krzemowe, które wynaleziono 70 lat temu. „Doprowadzamy perowskity do mety. Jeśli tandemy się sprawdzą, z pewnością mają potencjał, aby zdominować rynek i stać się ogniwami słonecznymi nowej generacji” – powiedział.