Alternatywa dla krzemu

Tekst pochodzi z raportu Greenbook 2023

Przeszliśmy już z fazy poszukiwań alternatywnych dla krzemu materiałów fotowoltaicznych, do fazy ich wdrożenia, a Polska ma w tym względzie znaczący udział. Szczególną rolę odgrywają tu dwie firmy. Specjalizujące się w ogniwach perowskitowych Saule Technologies oraz ML System, który rozwija technologię tzw. kropek kwantowych.

Druga z firm już w 2021 roku uruchomiła linie produkcyjne o mocy 60 tys. mkw modułów, podczas gdy przepustowość pierwszej „fabryki” Saule ma sięgać 40 tys. mkw. To już konkretni gracze o pokaźnej efektywności: instytut Fraunhofer ISE potwierdził, że ogniwa perowskitowe Saule Technologies mogą pracować z wydajnością nawet 25,5 proc., a osiągi kropek kwantowych według danych NREL to już ponad 18 proc. (efektywność ogniw krzemowych zbliża się do 30 procent). Zasadniczą przewagą jest jednak ich cienkość oraz elastyczność – są to materiały nadrukowywane na powierzchnię.

W tej sytuacji kwestią czasu było połączenie tych technologii i stworzenie ogniw słonecznych opartych na perowskitowych kropkach kwantowych (PDQ). Najpierw ekipa z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii stworzyła ogniwa wykorzystujące kropki kwantowe z perowskitu CsPbI3 (Trójjodku ołowiu cezu) o wydajności 15,1 proc., a później naukowcy z Uniwersytetu Beihang w Chinach na bazie TMSI (Jodku trimetylosililu) zaprezentowali ogniwa o o sprawności 16,25 proc. 

Trwałe perowskity

Dziś wśród naukowców zajmujących się technikami fotowoltaicznymi nic nie rozbudza takiego entuzjazmu co perowskity. Naukowcy z MIT wskazują, że jedną z wielkich zalet perowskitów jest ich duża tolerancja na wady struktury. W przeciwieństwie do krzemu, który wymaga wyjątkowo wysokiej czystości, aby dobrze funkcjonować w urządzeniach elektronicznych, perowskity mogą dobrze funkcjonować nawet z licznymi niedoskonałościami i zanieczyszczeniami. Największą wadą pozostaje za to trwałość. Podczas gdy krzemowe panele słoneczne zachowują do 90 procent swojej mocy wyjściowej po 25 latach, perowskity degradują się znacznie szybciej.

“Z perspektywy badawczej, jedną z zalet perowskitów jest to, że są one stosunkowo łatwe do wykonania w laboratorium – składniki chemiczne łatwo się łączą. To jednak także ich wada. Materiał bardzo łatwo łączy się w temperaturze pokojowej, ale bardzo łatwo się rozpada w temperaturze pokojowej. Łatwo przyszło łatwo poszło!”, mówi Tonio Buonassisi, profesor inżynierii mechanicznej na MIT i dyrektor Laboratorium Badawczego Fotowoltaiki.

Problem z trwałością perowskitów sprawił, że naukowcy z City University of Hong Kong dodali do nich ferroceny (materiały zawierające żelazo), znacznie poprawiając ich wydajność i stabilność. Wyniki swoich badań opublikowano w kwietniu 2022 na łamach Science. Naukowcy eksperymentowali z przyłączaniem różnych grup chemicznych do pierścieni węglowych ferrocenu i odkryli wersję, która znacznie poprawia spójność warstwy fotowoltaicznej. To poprawiła stabilność ogniwa, które ​​zachowały ponad 98 proc. początkowej wydajności po nieprzerwanej pracy z maksymalną mocą przez 1500 godzin.

Ferroceny poprawiły też wydajność perowskitów. Niższa od krzemowych jest przede wszystkim dlatego, że elektrony są mniej „mobilne” – mają mniejszą zdolność przemieszczania się z warstwy zbierania do warstw konwersji energii elektrycznej. Tymczasem struktura ferrocenów sprawia umożliwia elektronom łatwiejsze przemieszczanie się z warstwy perowskitu do kolejnych warstw, poprawiając efektywność przetwarzania energii słonecznej na energię elektryczną. Testy przeprowadzone przez zespół CityU oraz w laboratoriach komercyjnych pokazują, że sprawność urządzeń perowskitowych z dodaną warstwą ferrocenu może sięgać 25 proc..

AI pomoże w badaniach

Perowskity nie są przy tym jednym konkretnym materiałem, ale rodzajem struktury i dziś jednym z głównych wyzwań jest poszukiwanie obiecujących kompozycji pierwiastków, które sprawią że ogniwa będą bardziej wydajne, tańsze w produkcji, a przede wszystkim trwałe. Pomóc ma zaprezentowany w kwietniu 2022 roku system uczenia maszynowego opracowany przez naukowców z MIT i Uniwersytetu Stanforda. Jego zadaniem jest umożliwienie integracji danych z wcześniejszych eksperymentów oraz informacji opartych na osobistych obserwacjach doświadczonych pracowników w procesie uczenia maszynowego. Dzięki temu wyniki są dokładniejsze i już doprowadziły do ​​wyprodukowania ogniw perowskitowych o sprawności konwersji energii na poziomie 18,5 proc.

Wciąż trwają też poszukiwania kolejnych kandydatów na cienkie i wydajne materiały fotowoltaiczne. Inżynierowie ze Stanforda jako swojego kandaydata wskazali ​​dichalkogenki metali przejściowych (TMD) bardzo sprawnie pochłaniające światło słoneczne. Dotychczas materiał ten miał jednak spore trudności z konwersją energii słonecznej na elektryczną. Dochodzono do 2 proc. i dopiero inżynierom ze Stanfordu udało się wznieść na poziom 5,1 proc. Zapewniają jednak, że to dopiero początek przewidują, że po optymalizacji optycznej i elektrycznej mogliby praktycznie osiągnąć sprawność 27 procent.

Zaletą TMD jest stosunek mocy do masy, który coraz częściej jest podnoszony przy opracowywaniu materiałów fotowoltaicznych. Chodzi o to aby jak najmniej wpływały na powierzchnie na którą mają być nanoszone. Prototypo ogniwa zaprezentowanego na Stanfordzie osiągnął 100-krotnie większy stosunek mocy do masy spośród wszystkich dotychczas opracowanych TMD. W tym względzie szczególne osiągnięcia mają jednak inżynierowie którzy w grudniu 2022 roku zaprezentowali wykonane z półprzewodnikowych atramentów elastyczne ogniwa słoneczne, znacznie cieńsze niż ludzki włos. Ważą jedną setną konwencjonalnych paneli słonecznych, generując 18 razy więcej mocy na kilogram. Są przyklejone do mocnego, lekkiego materiału, co ułatwia ich instalację na stałej powierzchni. Mogą dostarczać energię w ruchu i stąd pomysł aby nanosić je na tkaniny takie jak np. płótno żeglarskie, tropik namiotu, a nawet ubrania.

/Fot: Saule Technologies//