Ogniwa perowskitowe - możliwości, ceny, wydajność, zastosowanie

Skąd się wzięły i jak działają perowskity?

W 2009 roku japoński badacz Tsutomu Miyasaka ogłosił pierwsze udane eksperymenty z ogniwem perowskitowym, na bazie architektury ogniwa barwnikowego. Nowe ogniwa nie były trwałe ani wydajne, ale udowodnił, że ogniwa perowskitowe mogą być używane jako alternatywa dla ogniw I i II generacji. To był wstęp do badań, które zaowocowały wieloma odkryciami i pomysłowymi technikami wykorzystania materiału. W dalszym rozwoju technologii fotowoltaicznych z użyciem perowskitu ważną rolę odegrała m.in. polska fizyczka Olga Malinkiewicz, która wynalazła metodę taniego wytwarzania ogniw za pomocą druku na dowolnym materiale.

Konstrukcja i działanie ogniw perowskitowych

Technologia już na pierwszy rzut oka wydaje się obiecująca, ale właściwie jak działają perowskity?

Perowskit to specyficzny rodzaj minerału krystalicznego, w którym dwa dodatnio naładowane jony różnej wielkości są połączone z mniejszymi jonami ujemnymi. Wzór na strukturę tego typu kryształów zapisuje się jako ABX₃, gdzie A=większe kationy, B=mniejsze kationy, X=aniony (najczęściej tlenkowe). Kryształy o tej architekturze charakteryzują się wieloma ciekawymi właściwościami, jak np. magnetooporność i nadprzewodność. Dodatkowo, w przeciwieństwie do krzemu, dają się przetwarzać w stosunkowo niskich temperaturach. Dzięki temu tworzenie ogniw fotowoltaicznych z ich udziałem jest łatwiejsze i tańsze.

Najważniejsze cechy perowskitów

Dlaczego uczeni uważają, że jest to dobra alternatywa dla paneli fotowoltaicznych jakich używaliśmy dotychczas? Ogniwa fotowoltaiczne z perowskitu odznaczają się:

• większą światłoczułością i możliwością produkowania prądu ze sztucznego światła
• przetwarzaniem energii mniej uzależnionym od kąta ustawienia względem źródła światła
• półprzezroczystością, co umożliwia umieszczanie ich na szybach
• łatwością i niskimi kosztami produkcji
• możliwością łączenia z innymi typami ogniw.

Poza tym przy zastosowaniu odpowiedniej technologii ogniwa perowskitowe są najbardziej wydajne z istniejących dotychczas. Mowa tu szczególnie o tandemowych ogniwach perowskitowo-krzemowych, których sprawność w 2022 roku przekroczyła 30%. Dla porównania najbardziej wydajne moduły monokrystaliczne osiągają ok. 22-23% sprawności, a amorficzne 6-10%. Różnica jest więc ogromna.

Alternatywa dla tradycyjnych paneli – możliwości i prognozy

Odkrycie Olgi Malinkiewicz pozwala nie tylko wykorzystać niezwykłe właściwości perowskitu. Dzięki zastosowaniu druku na różnych materiałach, możliwości wykorzystania perowskitów są niemal nieograniczone. To spełnienie marzeń zwolenników modułów fotowoltaicznych zintegrowanych z architekturą, a także solarpunkowego designu. Perowskit wykorzystuje promienie słoneczne pod różnym kątem i o różnym natężeniu. Instalacja perowskitowa może zostać nałożona na ścianę, dach czy okna budynku. Folie z nadrukowanym ogniwem mogą zasilać telefony komórkowe, a nawet być zintegrowane z tekstyliami. Już teraz stosuje się je do monitorowania dzikich żubrów za pomocą samoładujących obroży. Firma Olgi Malinkiewicz nawiązała w tym celu współpracę z WWF. Istnieją też pierwsze eksperymenty ze stosowaniem perowskitów na ścianach budynków. Jest to więc nie tylko alternatywa dla paneli fotowoltaicznych I generacji, ale technologia wprowadzająca całkiem nowy sposób myślenia o fotowoltaice.

Gdzie to można kupić?

Słysząc o cudownych właściwościach tych ogniw słonecznych aż chce się zapytać: czy można kupić panele perowskitowe? Sprawa nie jest jeszcze taka prosta. Znajdująca się we Wrocławiu firma Olgi Malinkiewicz, nazwana Saule Technologies na cześć bałtyjskiej bogini słońca, rozpoczęła w 2021 roku produkcję ogniw fotowoltaicznych z perowskitem. Na razie nie jest to powszechnie dostępny produkt. Wykorzystuje się go eksperymentalnie. Oprócz obroży dla żubrów, ogniwa perowskitowe znalazły zastosowanie m.in.: jako źródło prądu na kilku budynkach. Jednym z nich jest budynek firmy z Lublina, która dostarczyła Saule Technologies aluminiowych konstrukcji do instalacji perowskitowej.

Niestety nie udało się jeszcze osiągnąć zadowalającej powtarzalności i stabilności ogniw. Nowe metody i technologie produkcji pojawiają się każdego roku. Być może tegoroczne (2023) odkrycia naukowców z Chin i USA pozwolą wreszcie wprowadzić perowskitowe ogniwa fotowoltaiczne do masowej produkcji.

Sposoby produkcji ogniw perowskitowych

Ponieważ metoda Olgi Malinkiewicz jest pierwszą stosowaną do produkcji seryjnej przyjrzymy się jej bliżej.

Perowskit produkowany jest syntetycznie i w postaci płynnej drukowany na elastycznej folii. Jest to prosta forma drukowania, wykorzystująca taką samą zasadę jak drukarki atramentowe, których używamy w domu lub w biurze.

Obecnie opracowuje się inną metodę nakładania na płytkę roztworu zamiast nadrukowanych warstw. To może pomóc w bardziej równomiernym rozłożeniu perowskitu na powierzchni płytki. Eksperymenty National Renewable Energy Laboratory są prowadzone z płytkami indowo-cynowymi i dają dobre rezultaty. Możliwe, że już niedługo instalacja perowskitowa będzie jednym z tanich sposobów dostarczania energii elektrycznej do domów.

Dostępność i cena

Za wcześnie jeszcze na pytanie ile kosztuje perowskit. Cena całego procesu produkcji jest o wiele niższa niż w przypadku monokrystalicznych paneli słonecznych o podobnej sprawności. Produkcja prototypowych ogniw jest prowadzona w kilku miejscach na świecie. Zanim jednak moduły i folie perowskitowe wejdą do powszechnego użycia trzeba dopracować kilka szczegółów. Najpoważniejszy z nich to wysoka reaktywność zastosowanych materiałów. Z jednej strony pozwala łatwo przygotować roztwór lub atrament z użyciem perowskitu, z drugiej instalacja perowskitowa jest narażona na reakcje chemiczne i utratę właściwości w wysokich temperaturach.

Trudno podać cenę produktu, który nie został wprowadzony na rynek. Tania produkcja i dostępność materiałów powinny wpływać na niskie koszty. Sęk w tym, że dla przeciętnego Kowalskiego czy Smitha baterie z użyciem perowskitu nie są dostępne, nie ma więc masowych odbiorców i popytu, a to właśnie podaż i popyt ostatecznie decydują o cenie. Jeśli szukasz więcej porad, sprawdź także zebrane w tym miejscu artykuły na temat fotowoltaiki.

Zalety i wady perowskitu

Piękno i energia

Kiedy pisaliśmy wcześniej, że perowskit to spełnienie marzeń architektów i wielbicieli designu solarpunk wcale nie przesadzaliśmy. Ogniwa perowskitowe mogą być zastosowane do zasilania wszelkich urządzeń – od tabletów i laptopów, po budynki i stacje kosmiczne. Fotowoltaiczna folia PET lub tekstylia z nadrukiem wytwarzającym prąd, to coś o wiele więcej niż zwykła alternatywa dla paneli fotowoltaicznych. Jeżeli mieliście okazję oglądać wizualizacje solarpunkowej przyszłości, to ogniwa perowskitowe genialnie pasują do tego krajobrazu. Technologia przyjazna dla środowiska i estetycznie wbudowana w tkankę miasta, to byłaby nie tylko rewolucja techniczna, ale być może poprawa wyglądu naszego codziennego otoczenia.

Nie ma ograniczeń estetycznych co do wykorzystania perowskitów. Równie dobrze mogą się wpasować w minimalistyczną przestrzeń innych futurystycznych wizji. Kluczowa jest ich elastyczność.

Odpowiedź na kryzys energetyczny?

Niezależnie od tego czy ktoś jest zwolennikiem solarów czy atomu (a może obu rozwiązań) trzeba przyznać, że obecnie świat jest w stanie kryzysu energetycznego. Paliwa kopalne są ograniczone, poza tym ich wydobycie i zastosowanie niszczy środowisko na każdym etapie. Do pewnego stopnia dotyczy to też kopalni uranu i materiałów potrzebnych do budowy paneli słonecznych. Problemem w przypadku obu technologii jest też utylizacja odpadów. Czy ogniwa perowskitowe mogą rozwiązać część tych problemów? Z pewnością nie są idealne, ale wiele zalet pozwala wierzyć, że będą następnym krokiem w ewolucji przetwarzania energii.