Perowskitowe Ogniwa Słoneczne: Przyszłość Źródeł Energii
Wprowadzenie
Perowskitowe ogniwa słoneczne to jedna z najnowocześniejszych i najbardziej obiecujących technologii w dziedzinie fotowoltaiki. Dzięki swoim unikalnym właściwościom i potencjalnie niższym kosztom produkcji, mogą zrewolucjonizować rynek odnawialnych źródeł energii. W tym artykule przyjrzymy się bliżej tej innowacyjnej technologii, jej zaletom, zastosowaniom oraz wyzwaniom, jakie przed nią stoją.
Czym Są Perowskitowe Ogniwa Słoneczne?
Perowskitowe ogniwa słoneczne (ang. perovskite solar cells, PSC) to typ ogniw fotowoltaicznych, które wykorzystują materiały o strukturze perowskitu jako warstwę aktywną zbierającą światło. Struktura perowskitu to specyficzny układ krystalograficzny, który jest charakterystyczny dla tytanianu wapnia (CaTiO3). Materiały te, takie jak metyloamoniowe halogenki ołowiu oraz całkowicie nieorganiczne halogenki ołowiu i cezu, charakteryzują się niskimi kosztami produkcji oraz wysoką wydajnością konwersji energii słonecznej na elektryczną.
Historia i Rozwój Technologii
Perowskitowe ogniwa słoneczne zaczęły zyskiwać na znaczeniu na początku XXI wieku. W 2009 roku sprawność tych ogniw wynosiła zaledwie 3,8%. Jednakże intensywne badania i rozwój technologii sprawiły, że do 2020 roku sprawność ta wzrosła do 25,5% dla układów z jednym złączem. W przypadku ogniw tandemowych opartych na krzemie osiągnęła 29,15%, przekraczając maksymalną wydajność jednozłączowych krzemowych ogniw słonecznych.
W 2014 roku polska fizyczka Olga Malinkiewicz zaprezentowała innowacyjny proces produkcji perowskitowych ogniw za pomocą druku atramentowego w niskich temperaturach. Dzięki tej technologii możliwe stało się wytwarzanie ogniw na różnych powierzchniach, takich jak telefony komórkowe, żaluzje czy karoserie samochodowe. W 2021 roku firma Saule Technologies, prowadzona przez Malinkiewicz, uruchomiła we Wrocławskim Parku Technologicznym pierwszą na świecie fabrykę produkującą perowskitowe ogniwa słoneczne.
Zalety Perowskitowych Ogniw Słonecznych
Wysoka Sprawność
Sprawność perowskitowych ogniw słonecznych wzrosła dramatycznie w ciągu ostatniej dekady. Aktualnie osiągają one sprawność na poziomie 25,5% dla układów z jednym złączem, co jest porównywalne z najlepszymi ogniwami krzemowymi.
Niskie Koszty Produkcji
Materiały perowskitowe są stosunkowo tanie i łatwe w produkcji, co obniża koszty wytwarzania ogniw słonecznych. W porównaniu z krzemowymi ogniwami, produkcja perowskitowych ogniw wymaga mniej energii i jest bardziej przyjazna środowisku.
Elastyczność i Lekkość
Jednym z głównych atutów perowskitowych ogniw słonecznych jest ich giętkość i lekkość. Dzięki temu mogą być one montowane na różnorodnych powierzchniach, w tym na inteligentnych ubraniach, karoseriach samochodowych, elewacjach budynków, a nawet na telefonach komórkowych.
Perowskitowe ogniwa słoneczne, a Tolerancja na Warunki Atmosferyczne
Perowskitowe ogniwa słoneczne są zdolne do generowania prądu nie tylko w słoneczne dni, ale także w pochmurne warunki oraz przy sztucznym oświetleniu. To sprawia, że są bardziej uniwersalne i efektywne w różnorodnych warunkach atmosferycznych w porównaniu do tradycyjnych ogniw krzemowych.
Wyjątkowe Właściwości Perowskitów
Perowskity to grupa minerałów o specyficznej strukturze krystalograficznej, która jest zbliżona do struktury tytanianu wapnia (CaTiO3). Te minerały mogą być zarówno naturalne, jak i syntetyczne. W kontekście fotowoltaiki, perowskity wykazują doskonałe właściwości przewodzenia prądu oraz efektywnego pochłaniania światła słonecznego w zakresie długości fal od 300 do 800 nm.
Porównanie z Krzemowymi Ogniwami Słonecznymi
Koszty Perowskitowe ogniwa słoneczne
Produkcja ogniw perowskitowych jest znacznie tańsza niż krzemowych, co wpływa na obniżenie kosztów instalacji. Niskie koszty produkcji wynikają z łatwości wytwarzania materiałów perowskitowych oraz niższego zużycia energii podczas procesu produkcyjnego.
Perowskitowe ogniwa słoneczne są Elastyczne
Krzemowe ogniwa słoneczne są sztywne i kruche, co ogranicza ich zastosowanie do płaskich i sztywnych powierzchni. Natomiast perowskitowe ogniwa są giętkie i lekkie, co pozwala na ich montaż na zakrzywionych i nieregularnych powierzchniach, takich jak karoserie samochodowe, inteligentne ubrania czy elewacje budynków.
Tolerancja na Kąt Padania Światła
Perowskitowe ogniwa słoneczne są bardziej tolerancyjne na kąt padania światła, co oznacza, że mogą efektywnie generować prąd nawet przy zmiennym kącie padania promieni słonecznych. W przypadku ogniw krzemowych, kąt padania światła ma większe znaczenie dla efektywności generowania prądu.
Zastosowanie w Różnych Warunkach Oświetleniowych
Perowskitowe ogniwa mogą efektywnie działać w różnorodnych warunkach oświetleniowych, w tym w pochmurne dni i przy sztucznym świetle. To czyni je bardziej uniwersalnymi i efektywnymi w porównaniu do krzemowych ogniw słonecznych, które wymagają intensywnego światła słonecznego do optymalnego działania.
Aktualny Stan Badań i Innowacje
Badania nad perowskitowymi ogniwami słonecznymi są intensywnie rozwijane na całym świecie. Przykłady innowacyjnych osiągnięć obejmują:
- Metoda Druku Atramentowego: Polska fizyczka Olga Malinkiewicz opracowała metodę produkcji perowskitowych ogniw za pomocą druku atramentowego w niskich temperaturach. Umożliwia to ich aplikację na różnych powierzchniach, takich jak telefony komórkowe, żaluzje czy karoserie samochodowe.
- Pierwsza Fabryka Perowskitowych Ogniw: W 2021 roku we Wrocławskim Parku Technologicznym firma Saule Technologies uruchomiła pierwszą na świecie fabrykę produkującą perowskitowe ogniwa słoneczne.
- Poprawa Stabilności: Naukowcy na całym świecie pracują nad poprawą stabilności ogniw perowskitowych. Jednym z głównych wyzwań jest ich podatność na działanie wilgoci i tlenu, co obniża ich trwałość. Nowe metody hermetyzacji oraz modyfikacje materiałowe mają na celu zwiększenie odporności ogniw na czynniki zewnętrzne.
- Zastosowanie w Budynkach: Coraz częściej perowskitowe ogniwa słoneczne są wykorzystywane w architekturze jako elementy fasad budynków. Pozwala to na integrację technologii fotowoltaicznej z konstrukcjami architektonicznymi. Przykładem jest instalacja perowskitowych ogniw na pionowej elewacji budynku we Wrocławiu.
Przyszłość Perowskitowych Ogniw Słonecznych
Mimo że technologia perowskitowych ogniw słonecznych jest wciąż w fazie rozwoju, już teraz widać ogromny potencjał tej technologii. Przewiduje się, że dalsze badania i innowacje mogą prowadzić do zwiększenia ich sprawności, stabilności i trwałości, co uczyni je jeszcze bardziej konkurencyjnymi na rynku fotowoltaicznym.
Wyzwania Technologiczne
- Stabilność i Trwałość: Jednym z głównych wyzwań jest poprawa stabilności i trwałości ogniw perowskitowych. Obecnie są one podatne na degradację pod wpływem wilgoci i tlenu, co skraca ich żywotność.
- Skalowanie Produkcji: Kolejnym wyzwaniem jest skalowanie produkcji perowskitowych ogniw do poziomu komercyjnego, co wymaga opracowania niezawodnych i efektywnych procesów produkcyjnych.
- Ekologia i Bezpieczeństwo: Wykorzystanie ołowiu w niektórych typach perowskitów budzi obawy dotyczące bezpieczeństwa i ekologii. Trwają badania nad alternatywnymi materiałami, które mogą zastąpić ołów, zachowując jednocześnie wysoką sprawność ogniw.
Perspektywy Komercjalizacji Perowskitowe ogniwa słoneczne
Zarówno firmy, jak i instytucje badawcze intensywnie pracują nad komercjalizacją perowskitowych ogniw słonecznych. Przykłady obejmują:
- Saule Technologies: Firma ta uruchomiła pierwszą na świecie fabrykę produkującą perowskitowe ogniwa słoneczne. Stanowi to ważny krok w kierunku komercjalizacji tej technologii.
- Oxford PV: Firma ta rozwija tandemowe ogniwa słoneczne łączące perowskity z krzemem, osiągając sprawności przekraczające 29%. Oxford PV planuje komercjalizację swojej technologii w najbliższych latach.
- Hunt Perovskite Technologies: Firma ta koncentruje się na rozwijaniu stabilnych i trwałych perowskitowych ogniw słonecznych. Zastosowanie w budynkach komercyjnych i mieszkalnych.
Perowskitowe ogniwa słoneczne – Podsumowanie
Perowskitowe ogniwa słoneczne mają potencjał, aby zrewolucjonizować rynek fotowoltaiki dzięki swoim licznym zaletom. Wysoka sprawność, niskie koszty produkcji i elastyczność. Technologia ta napotyka jeszcze pewne wyzwania. Stabilność i długowieczność ogniw, trwające badania i innowacje. Mogą sprawić, że stanie się ona wiodącym rozwiązaniem w dziedzinie odnawialnych źródeł energii. Inwestorzy zainteresowani przyszłością energetyki powinni zwrócić uwagę na rozwój perowskitowych ogniw słonecznych. Mogą znacząco obniżyć koszty produkcji energii i zwiększyć jej dostępność na całym świecie. Ciekawym miejscem zastosowania mogą być balkony.
