Ako fungujú perovskitové solárne články – a prečo na nich záleží

Kryštál, ktorý by mohol pretvoriť solárnu energiu

Kremík vládne solárnej energii už desaťročia, ale rodina kryštalických materiálov nazývaná perovskity napreduje rýchlejšie ako akákoľvek fotovoltaická technológia v histórii. Za sotva 15 rokov perovskitové solárne články poskočili z laboratórnej kuriozity s 3,8 % účinnosťou na zariadenia presahujúce 27 % – míľnik, ktorého dosiahnutie trvalo kremíku viac ako pol storočia. Otázka už nestojí tak, či perovskity dokážu dorovnať výkon kremíka, ale či vydržia dostatočne dlho na to, aby ho nahradili.

Čo je to perovskit?

Perovskit nie je jeden konkrétny materiál, ale široká rodina zlúčenín, ktoré zdieľajú špecifickú kryštálovú štruktúru známu ako ABX₃, kde A a B sú kladne nabité ióny (katióny) a X je záporne nabitý ión (anión). Názov pochádza z minerálu titaničitan vápenatý, ktorý bol prvýkrát objavený v pohorí Ural v roku 1839 a pomenovaný po ruskom mineralógovi Levovi Perovskom.

V solárnych článkoch sú najbežnejšie perovskity halogenidové perovskity kovov – zvyčajne kombinujúce organické molekuly, olovo a halogenidy ako jód alebo bróm. Výnimočnou ich robí ich prispôsobivosť. Ako ich opísal výskumník MIT Tonio Buonassisi, perovskity sú "kryštálová štruktúra typu 'zostav si vlastné dobrodružstvo'" – vedci môžu vymieňať komponenty a dolaďovať tak, ako materiál absorbuje svetlo.

Ako premieňajú svetlo na elektrinu

Perovskitový solárny článok funguje v troch základných krokoch. Po prvé, slnečné svetlo dopadá na tenkú perovskitovú vrstvu – často len niekoľko stoviek nanometrov hrubú – a jej fotóny excitujú elektróny, čím ich uvoľňujú z ich atómových väzieb. Po druhé, tieto uvoľnené elektróny prúdia k jednej elektróde, zatiaľ čo kladne nabité "diery", ktoré po sebe zanechávajú, migrujú k opačnej elektróde. Po tretie, toto oddelenie náboja generuje elektrický prúd, ktorý je možné zachytiť ako využiteľnú energiu.

Tento proces zrkadlí spôsob, akým fungujú kremíkové články, ale perovskity majú niekoľko štrukturálnych výhod. Ich kryštálová mriežka je pozoruhodne tolerantná voči defektom – na rozdiel od kremíka, ktorý vyžaduje extrémnu čistotu, perovskity fungujú dobre aj s nedokonalosťami. Taktiež účinne absorbujú svetlo v širokom spektre a ich absorpčné vlastnosti je možné upraviť úpravou chemického zloženia.

Prečo je priemysel nadšený

Tri výhody robia perovskity presvedčivými. Po prvé, cena: perovskitové vrstvy je možné nanášať z tekutých atramentov pri nízkych teplotách, čo potenciálne umožňuje výrobu v štýle tlačiarenského lisu, ktorá je oveľa lacnejšia ako energeticky náročná výroba kremíka. Po druhé, všestrannosť: materiál je možné aplikovať na flexibilné, ľahké a dokonca aj priehľadné povrchy, čo otvára možnosti ako solárne okná a nositeľné panely. Spotrebné produkty ako slnečník na pláž od spoločnosti Anker so solárnym napájaním už používajú perovskitové články.

Po tretie, a čo je najvýznamnejšie, je tandemová architektúra. Navrstvením perovskitového článku na konvenčný kremíkový článok každá vrstva zachytáva rôzne vlnové dĺžky svetla. Tieto tandemové zariadenia už dosiahli 34,6 % účinnosť v laboratóriu – stanovila ich čínska spoločnosť LONGi – čo výrazne presahuje teoretický strop pre samotný kremík. Spoločnosti ako Oxford PV, Qcells a JinkoSolar pretekajú v tom, aby uviedli tandemové panely na trh.

Problém s trvanlivosťou

Napriek všetkým svojim sľubom majú perovskity jednu kritickú slabinu: degradujú. Kremíkové panely si bežne zachovávajú 90 % svojho výkonu po 25 rokoch. Skoré perovskitové články vydržali len hodiny. Moderné verzie fungujú oveľa lepšie, ale terénne skúšky stále ukazujú významné straty výkonu v priebehu mesiacov po vystavení vonkajšiemu prostrediu.

Vinníkom je autokatalytický degradačný cyklus. Keď vlhkosť, teplo alebo ultrafialové svetlo začnú rozkladať perovskitový kryštál, vedľajšie produkty urýchľujú deštrukciu susedného materiálu, čím vytvárajú kaskádové zlyhanie. Podľa Ministerstva energetiky USA je potrebné vyriešiť súčasne štyri výzvy: stabilita, účinnosť v mierke, vyrobiteľnosť a dlhodobá validácia.

Výskumníci útočia na problém z viacerých uhlov. Northwestern University vyvinula amidíniový ligand, ktorý si udržal viac ako 90 % účinnosť počas 1 100 hodín pri 85 °C. Iné tímy použili nanočastice oxidu hlinitého na desaťnásobné predĺženie životnosti zariadenia. Alternatívne zloženia používajúce chalkogenidové perovskity vykazujú inherentne vyššiu odolnosť voči poškodeniu životným prostredím.

Cesta na vašu strechu

Komerčná realizácia prebieha, aj keď opatrne. Spoločnosť Oxford PV dodala tandemové panely s 24,5 % účinnosťou pre projekty v rozsahu verejných služieb v USA. Čínska spoločnosť UtmoLight prevádzkuje 150-megawattovú pilotnú výrobnú linku. Japonsko si stanovilo národný cieľ 20 gigawattov elektriny vyrobenej z perovskitov do roku 2040, pričom náklady by mali klesnúť na 14 centov za watt.

Táto technológia už nie je laboratórnym snom – je to priemyselná realita v plienkach. Ak sa medzera v trvanlivosti uzavrie, perovskitovo-kremíkové tandemy by mohli posunúť účinnosť strešných solárnych panelov nad 30 %, čím by sa vygenerovalo viac energie z rovnakej plochy strechy a urýchlil by sa globálny prechod na energiu. Kryštál, ktorému trvalo 15 rokov, kým sa vyrovnal kremíku, bude možno potrebovať len o niečo viac, aby ho prekonal.