Jak działają perowskitowe ogniwa słoneczne – i dlaczego mają znaczenie

Kryształ, który może zmienić oblicze energii słonecznej

Krzem od dziesięcioleci króluje w energetyce słonecznej, ale rodzina krystalicznych materiałów zwanych perowskitami rozwija się szybciej niż jakakolwiek inna technologia fotowoltaiczna w historii. W ciągu zaledwie 15 lat perowskitowe ogniwa słoneczne przeszły od laboratoryjnej ciekawostki o sprawności 3,8% do urządzeń przekraczających 27% – kamienia milowego, którego osiągnięcie zajęło krzemowi ponad pół wieku. Pytanie nie brzmi już, czy perowskity mogą dorównać wydajności krzemu, ale czy wystarczająco długo wytrzymają, aby go zastąpić.

Czym jest perowskit?

Perowskit to nie pojedynczy materiał, ale szeroka rodzina związków o specyficznej strukturze krystalicznej znanej jako ABX₃, gdzie A i B to jony dodatnie (kationy), a X to jon ujemny (anion). Nazwa pochodzi od minerału tytanianu wapnia, odkrytego po raz pierwszy w górach Ural w 1839 roku i nazwanego na cześć rosyjskiego mineraloga Lwa Perowskiego.

W ogniwach słonecznych najczęściej spotykane perowskity to perowskity metalo-halogenkowe – zazwyczaj łączące cząsteczki organiczne, ołów i halogenki, takie jak jod lub brom. Tym, co czyni je niezwykłymi, jest ich możliwość dostrajania. Jak opisał je badacz z MIT, Tonio Buonassisi, perowskity to "struktura krystaliczna typu 'zbuduj własną przygodę'" – naukowcy mogą wymieniać komponenty, aby precyzyjnie dostroić sposób, w jaki materiał absorbuje światło.

Jak przekształcają światło w energię elektryczną

Perowskitowe ogniwo słoneczne działa w trzech podstawowych krokach. Po pierwsze, światło słoneczne pada na cienką warstwę perowskitu – często o grubości zaledwie kilkuset nanometrów – a jego fotony wzbudzają elektrony, uwalniając je z wiązań atomowych. Po drugie, te uwolnione elektrony przepływają w kierunku jednej elektrody, podczas gdy dodatnio naładowane "dziury", które po sobie pozostawiają, migrują do elektrody przeciwnej. Po trzecie, to rozdzielenie ładunków generuje prąd elektryczny, który można wychwycić jako użyteczną energię.

Proces ten odzwierciedla sposób działania ogniw krzemowych, ale perowskity mają kilka zalet strukturalnych. Ich sieć krystaliczna jest niezwykle tolerancyjna na defekty – w przeciwieństwie do krzemu, który wymaga ekstremalnej czystości, perowskity działają dobrze nawet z niedoskonałościami. Absorbuje również światło efektywnie w szerokim spektrum, a ich właściwości absorpcyjne można modyfikować, dostosowując recepturę chemiczną.

Dlaczego branża jest podekscytowana

Trzy zalety sprawiają, że perowskity są atrakcyjne. Po pierwsze, koszt: warstwy perowskitowe można osadzać z ciekłych tuszów w niskich temperaturach, co potencjalnie umożliwia produkcję w stylu drukarskim, znacznie tańszą niż energochłonna produkcja krzemu. Po drugie, wszechstronność: materiał można nakładać na elastyczne, lekkie, a nawet przezroczyste powierzchnie, otwierając możliwości, takie jak okna słoneczne i panele do noszenia. Produkty konsumenckie, takie jak parasol plażowy zasilany energią słoneczną firmy Anker, wykorzystują już ogniwa perowskitowe.

Po trzecie, i najważniejsze, jest architektura tandemowa. Poprzez nałożenie ogniwa perowskitowego na konwencjonalne ogniwo krzemowe, każda warstwa wychwytuje różne długości fal światła. Te urządzenia tandemowe osiągnęły już 34,6% sprawności w laboratorium – ustanowione przez chińską firmę LONGi – znacznie przekraczając teoretyczny limit dla samego krzemu. Firmy takie jak Oxford PV, Qcells i JinkoSolar ścigają się, aby wprowadzić na rynek panele tandemowe.

Problem z trwałością

Pomimo wszystkich obietnic, perowskity mają jedną krytyczną słabość: ulegają degradacji. Panele krzemowe rutynowo zachowują 90% swojej mocy wyjściowej po 25 latach. Wczesne ogniwa perowskitowe wytrzymywały tylko kilka godzin. Nowoczesne wersje działają znacznie lepiej, ale próby terenowe nadal wykazują znaczne straty wydajności w ciągu kilku miesięcy ekspozycji na zewnątrz.

Przyczyną jest autokatalityczny cykl degradacji. Kiedy wilgoć, ciepło lub światło ultrafioletowe zaczynają rozkładać kryształ perowskitu, produkty uboczne przyspieszają niszczenie sąsiedniego materiału, tworząc kaskadową awarię. Według Departamentu Energii USA, należy rozwiązać jednocześnie cztery wyzwania: stabilność, wydajność w skali, produkowalność i długoterminowa walidacja.

Naukowcy atakują problem z wielu stron. Uniwersytet Northwestern opracował ligand amidyniowy, który utrzymał ponad 90% sprawności przez 1100 godzin w temperaturze 85°C. Inne zespoły wykorzystały nanocząsteczki tlenku glinu, aby dziesięciokrotnie wydłużyć żywotność urządzeń. Alternatywne receptury wykorzystujące perowskity chalkogenidkowe wykazują z natury większą odporność na uszkodzenia środowiskowe.

Droga na Twój dach

Komercjalizacja jest w toku, choć ostrożnie. Oxford PV wysłał panele tandemowe o sprawności 24,5% do projektów na dużą skalę w USA. Chińska firma UtmoLight prowadzi 150-megawatową pilotażową linię produkcyjną. Japonia wyznaczyła krajowy cel 20 gigawatów energii elektrycznej wytwarzanej z perowskitów do 2040 roku, przy czym koszty mają spaść do 14 centów za wat.

Technologia nie jest już laboratoryjnym marzeniem – jest rzeczywistością przemysłową w powijakach. Jeśli luka w trwałości zostanie zamknięta, tandemy perowskitowo-krzemowe mogłyby podnieść sprawność paneli słonecznych na dachu powyżej 30%, generując więcej energii z tej samej powierzchni dachu i przyspieszając globalną transformację energetyczną. Kryształ, który potrzebował 15 lat, aby dorównać krzemowi, może potrzebować tylko kilku więcej, aby go przewyższyć.