211service.com
Materiał, który może sprawić, że energia słoneczna będzie tania
Nowy typ ogniwa słonecznego, wykonanego z materiału, który jest znacznie tańszy w pozyskaniu i użyciu niż krzem, może generować tyle samo energii, co dzisiejsze powszechnie dostępne ogniwa słoneczne.
Chociaż potencjał materiału dopiero zaczyna być rozumiany, przyciągnął on uwagę czołowych światowych badaczy energii słonecznej, a kilka firm już pracuje nad jego komercjalizacją.
Naukowcy opracowujący tę technologię twierdzą, że może to doprowadzić do paneli słonecznych, które kosztują od 10 do 20 centów za wat. Panele słoneczne kosztują teraz zwykle około 75 centów za wat, a Departament Energii USA twierdzi, że 50 centów za wat pozwoli energii słonecznej konkurować z paliwami kopalnymi.
W przeszłości badacze energii słonecznej byli podzieleni na dwa obozy w poszukiwaniu tańszej energii słonecznej. Niektórzy poszukiwali ogniw słonecznych, które można bardzo tanio wyprodukować, ale które mają tę wadę, że są stosunkowo nieefektywne. Ostatnio coraz więcej badaczy skoncentrowało się na opracowaniu ogniw o bardzo wysokiej wydajności, nawet jeśli wymagają one droższych technik produkcyjnych.
Nowy materiał może umożliwić uzyskanie tego, co najlepsze z obu światów — ogniw słonecznych, które są bardzo wydajne, ale także tanie w produkcji.
Jeden z najlepszych badaczy energii słonecznej na świecie, Martin Green z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii w Australii twierdzi, że szybki postęp był zaskakujący. Ogniwa słoneczne, które wykorzystują ten materiał, można wykonać za pomocą bardzo prostej i potencjalnie bardzo taniej technologii, a wydajność rośnie bardzo dramatycznie – mówi.
Perowskity są znane od ponad wieku, ale do niedawna nikt nie pomyślał o wypróbowaniu ich w ogniwach słonecznych. Materiał, z którego korzystają naukowcy, bardzo dobrze pochłania światło. Podczas gdy konwencjonalne krzemowe panele słoneczne wykorzystują materiały o grubości około 180 mikrometrów, nowe ogniwa słoneczne wykorzystują mniej niż jeden mikrometr materiału do przechwytywania tej samej ilości światła słonecznego. Pigment jest półprzewodnikiem, który również dobrze przenosi ładunek elektryczny powstały w wyniku uderzenia w niego światła.
Materiał jest tani jak barszcz, mówi Michael Grätzel, znany w branży fotowoltaicznej z wynalezienia ogniwa słonecznego, które nosi jego imię. Jego grupa wyprodukowała jak dotąd najbardziej wydajne perowskitowe ogniwa słoneczne — przetwarzają 15 procent energii słonecznej w energię elektryczną, znacznie więcej niż inne tanie w produkcji ogniwa słoneczne. Opierając się na dotychczasowej wydajności i znanych właściwościach konwersji światła, naukowcy twierdzą, że jego wydajność może łatwo wzrosnąć nawet o 20 do 25 procent, co jest tak dobre, jak rekordowe wydajności (zwykle osiągane w laboratoriach) najpopularniejszych typów ogniw słonecznych dzisiaj. Wydajność masowo produkowanych ogniw słonecznych może być niższa. Ale sensowne jest porównanie wydajności laboratorium komórek perowskitu z zapisami laboratoryjnymi dla innych materiałów. Grätzel mówi, że perowskit w ogniwach słonecznych prawdopodobnie okaże się wybaczającym materiałem, który zachowuje wysoką wydajność w masowej produkcji, ponieważ procesy produkcyjne są proste.
Ogniwa słoneczne z perowskitu można wykonać poprzez rozprowadzenie pigmentu na arkuszu szkła lub folii metalowej wraz z kilkoma innymi warstwami materiału ułatwiającymi ruch elektronów przez ogniwo. Nie jest to całkiem taki natryskowy ogniwa słoneczne, jaki wyobrażali sobie niektórzy ludzie – ideał science fiction polegający na natychmiastowym przekształceniu dowolnej powierzchni w taką, która może generować energię elektryczną – ale proces jest tak prosty, że zbliża się. Jest wysoce nieprawdopodobne, aby ktokolwiek kiedykolwiek był w stanie po prostu kupić tubę „farby słonecznej”, ale wszystkie warstwy ogniwa słonecznego można wytworzyć tak łatwo, jak malowanie powierzchni, mówi Henry Snaith, fizyk z Uniwersytetu Oksfordzkiego, który , współpracując z naukowcami z Azji, opublikował jedne z najlepszych wydajności nowego typu ogniwa słonecznego.
Kiedy perowskity zostały po raz pierwszy wypróbowane w ogniwach słonecznych w 2009 roku, ich wydajność była niska — przekształciły one tylko około 3,5 procent energii słonecznej w energię elektryczną. Ogniwa również nie wytrzymały zbyt długo, ponieważ ciekły elektrolit rozpuścił perowskit. Naukowcy ledwo mieli wystarczająco dużo czasu, aby je przetestować, zanim przestali działać. Jednak w zeszłym roku kilka innowacji technicznych — sposobów na zastąpienie ciekłego elektrolitu materiałami stałymi — rozwiązało te problemy i rozpoczęło wyścig o produkcję coraz wydajniejszych ogniw słonecznych.
W latach 2009-2012 ukazał się tylko jeden artykuł. Potem, pod koniec lata 2012 roku, wszystko się zaczęło, mówi Snaith. Wydajność szybko się podwoiła, a następnie ponownie podwoiła. Oczekuje się, że wydajność będzie rosła, ponieważ naukowcy stosują techniki, które, jak wykazano, poprawiają wydajność innych ogniw słonecznych.
Snaith pracuje nad komercjalizacją technologii poprzez startup Oxford Photovoltaics, który zebrał 4,4 miliona dolarów. Grätzel, którego oryginalna technologia ogniw słonecznych jest obecnie wykorzystywana w produktach konsumenckich, takich jak plecaki i etui na iPada, udziela licencji na nową technologię firmom, których celem jest przejęcie konwencjonalnych krzemowych paneli słonecznych do produkcji energii słonecznej na dużą skalę.
Jak każdy nowy uczestnik na wysoce konkurencyjnym rynku paneli słonecznych, perowskity będą miały trudności z przyjęciem krzemowych ogniw słonecznych. Koszty krzemowych ogniw słonecznych spadają, a niektórzy analitycy uważają, że w końcu mogą spaść nawet do 25 centów za wat, co wyeliminowałoby większość przewagi kosztowej perowskitów i zmniejszyłoby zachętę do inwestowania w nową technologię. Oczekuje się, że proces produkcji ogniw słonecznych z perowskitu – który może być tak prosty, jak rozprowadzenie cieczy na powierzchni lub może obejmować osadzanie z fazy gazowej, kolejny proces produkcyjny na dużą skalę – będzie łatwy. Jednak historycznie rzecz biorąc, skalowanie nowatorskich technologii ogniw słonecznych zajęło ponad dekadę, a za dziesięć lat krzemowe ogniwa słoneczne mogą być zbyt daleko, by je złapać.
Green twierdzi, że jedną z możliwości może być wykorzystanie perowskitów do wzmocnienia, a nie zastąpienia krzemowych ogniw słonecznych. Możliwe jest namalowanie perowskitów na konwencjonalne krzemowe ogniwa słoneczne, aby poprawić ich wydajność, a tym samym obniżyć całkowity koszt w przeliczeniu na wat ogniw słonecznych. To może być łatwiejszy sposób na wejście na rynek energii słonecznej niż próba wprowadzenia zupełnie nowego rodzaju ogniwa słonecznego.
Wyzwaniem może być fakt, że materiał zawiera niewielką ilość ołowiu, który jest toksyczny. Potrzebne będą testy, aby wykazać, jak toksyczny jest jako część materiału perowskitowego. Można również podjąć kroki w celu zapewnienia, że ogniwa słoneczne są zbierane i poddawane recyklingowi, aby zapobiec przedostawaniu się materiałów do środowiska — jest to podejście stosowane obecnie w przypadku akumulatorów rozruchowych kwasowo-ołowiowych stosowanych w samochodach. Możliwe jest również zastąpienie ołowiu w ogniwach cyny lub innego pierwiastka.