Te elastyczne ogniwa słoneczne przybliżają nas do porzucenia nałogu paliw kopalnych

Zdjęcie przedstawiające perowskit Zdjęcie dzięki uprzejmości Oxford PV

• Ogniwa słoneczne z perowskitu mogą być tańsze, lżejsze, bardziej energooszczędne i łatwiejsze w produkcji niż tradycyjny krzem
• Można je umieszczać na oknach, powierzchniach o nieregularnych kształtach, a nawet poruszających się pojazdach i otwierać zupełnie nowy zakres zastosowań energii słonecznej, takich jak odsalanie
• Największe wyzwanie: uczynienie ich wystarczająco trwałymi

W grudniu ubiegłego roku naukowcy z laboratorium w Oksfordzie w Anglii oświetlili lampą słoneczną maleńkie ogniwo słoneczne o powierzchni zaledwie jednego centymetra kwadratowego.

Urządzenie składało się w rzeczywistości z dwóch ogniw ułożonych jedna na drugiej. Dolny został wykonany z silikonu stosowanego w standardowych panelach słonecznych. Ale wierzch stanowił perowskit, materiał o strukturze krystalicznej, który szczególnie dobrze zamienia światło w elektryczność.

Para sond podłączonych do tak zwanego tandemowego ogniwa słonecznego mierzyła jego wydajność. Inni badacze z laboratorium w Oxford PV, firmie wydzielonej z uniwersytetu w 2010 roku, zebrali się za płaskim monitorem, czekając wyczekująco na pojawienie się obliczeń wydajności ogniwa. Kiedy to się stało, przybili sobie piątki. Ogniwo przekształciło 28% energii światła w energię elektryczną, nowy rekord wydajności urządzenia perowskitowego na silikonie. Niezależny test potwierdził to kilka dni później, po tym, jak maleńkie ogniwo zostało umieszczone w samolocie do National Renewable Energy Laboratory (NREL) w Golden w Kolorado.

Komercyjne ogniwo słoneczne Oxford PV (po lewej) i wersja o powierzchni jednego centymetra kwadratowego (po prawej).

Chociaż panele krzemowe mogą zdominować rynek – z około 95% udziałem w rynku – krzem nie jest szczególnie dobrym materiałem solarnym. Wykorzystuje głównie światło z czerwonego i podczerwonego końca widma słonecznego i musi być dość gęste i nieporęczne, aby absorbować i przekształcać fotony. Najbardziej wydajne krzemowe panele słoneczne na rynku osiągają wydajność poniżej 23%, podczas gdy teoretyczne maksimum dla pojedynczej warstwy krzemu wynosi około 29%.

Z drugiej strony Perovskite może wykorzystywać więcej światła, które do niego dociera i może być dostrojony do pracy z różnymi częściami widma. Oxford PV wybrał niebieski koniec. Połączone w komórce, te dwa materiały mogą razem przekształcić więcej fotonów w elektrony, niż którykolwiek z nich jest w stanie dostarczyć samodzielnie.

Oxford PV planuje dostarczyć na rynek ogniwa słoneczne na bazie perowskitu i krzemu do końca przyszłego roku, wykorzystując niemiecką fabrykę przejętą w 2016 r. od Bosch Solar. Oba materiały będą dostarczane w pakiecie, który w innym przypadku wygląda, jest wysyłany i instalowany w taki sam sposób, jak standardowy panel słoneczny, w rodzaju pół kroku, który zdaniem firmy ułatwi wprowadzenie technologii na rynek.

Zakład produkcyjny Oxford PV w Niemczech. Oksford PV

To przełom technologiczny bez zakłóceń biznesowych, mówi Chris Case, dyrektor ds. technologii w Oxford PV.

Dziesiątki startupów, które około dekadę temu próbowały zastąpić krzem, popadły w bankructwo lub zostały zepchnięte na rynek niszowy. Ale inwestorzy venture capital zainwestowany dziesiątki miliony dolarów na perowskitowe przedsięwzięcia w ostatnich miesiącach, podgrzewając to, co od dawna było mroźnym rynkiem dla alternatywnych materiałów słonecznych. Teraz pytanie brzmi, czy perowskity też się załamią, czy w końcu pokonają krzemowe panele na rynku.

Jest cały zestaw rzeczy, które sprawiają, że jest to potencjalnie transformacyjna technologia, mówi Joe Berry, który prowadzi program badawczy perowskitu w Narodowym Laboratorium Energii Odnawialnej. Ale lista technologii, które próbowały konkurować z krzemem, jest długa i wyróżniająca, więc i w tym sensie trzeba być skromnym.

Ogniwo słoneczne na sterydach

Pod koniec 2000 roku wiele dobrze finansowanych startupów próbowało skomercjalizować nowe i bardziej elastyczne materiały słoneczne, w tym technologie cienkowarstwowe, takie jak tellurek kadmu i selenek miedziowo-indowo-galowy (pamiętasz Solyndrę?), a także takie rzeczy jak organiczne ogniwa słoneczne. Obiecowano, że ogniwa wykonane z takich materiałów będą znacznie tańsze w produkcji i będą mogły mieć różne kształty.

Ale krzemowe panele słoneczne były szybko poruszającym się celem. Poziomy wydajności nadal się poprawiały, a ceny gwałtownie spadały, Dzięki do finansowanych przez rząd wysiłków badawczych, polityki stymulacji rynku i ekonomii skali.

Koszty komercyjnych systemów fotowoltaicznych (dolary amerykańskie za wat prądu stałego w przypadku systemów o stałym pochyleniu)

Źródło: Krajowe Laboratorium Energii Odnawialnej | Wykres stworzony przez MIT Technology Review

W szczególności Chiny zastosowały agresywne subsydia i strategie, aby przyspieszyć produkcję i eksport w dążeniu do zdominowania rynku. Krajowe wysyłki modułów i udział w globalnym rynku rozpoczęły się w połowie 2000 roku, wywołując zarzuty o nielegalny dumping mający na celu wyeliminowanie zagranicznych rywali. Ceny komercyjnych paneli krzemowych spadły o ponad połowę w latach 2010-2013, a rynek alternatyw zatonął.

Tak więc w dzisiejszych czasach, aby uzasadnić ogromne koszty budowy nowych fabryk, łańcuchów dostaw i kanałów dystrybucji, każdy nowy materiał musi być lepszy pod wieloma względami: bardziej wydajny, tańszy w produkcji, bardziej wszechstronny, trwalszy lub najlepiej wszystkie nad.

Perowskit błyszczy w niektórych z tych kategorii. Pojedyncza warstwa może teoretycznie osiągnąć wydajność 33%, podczas gdy tandemowe urządzenie perowskitowe na silikonie może osiągnąć około 43%. Wysoka wydajność ma znaczenie, ponieważ można wyprodukować więcej energii elektrycznej z tej samej liczby paneli lub tej samej ilości przy mniejszej powierzchni i niższych kosztach.

Moduły fotowoltaiczne z perowskitu również powinny być tańsze w produkcji, przynajmniej docelowo. Produkcja paneli silikonowych jest wieloetapowa Proces wytwarzania oznacza to rafinację krzemu pod wpływem wysokiej temperatury, nasycanie go innymi materiałami i precyzyjne krojenie go na wafle, które następnie muszą być precyzyjnie ukształtowane w czystym pomieszczeniu, aby stworzyć ogniwo fotowoltaiczne.

Z drugiej strony perowskity można wytwarzać w niskich temperaturach i stosować w postaci płynnej do powlekania elastycznych materiałów, takich jak plastik, umożliwiając proces produkcyjny z roli na rolę podobny do drukowania gazet.

Przez zmianę przeznaczenia zakładu produkcji cienkowarstwowej Boscha, Oxford PV spodziewa się, że do końca przyszłego roku będzie w stanie masowo produkować ogniwa krzemowe i perowskitowe i pakować je razem w standardowe panele.

To zwykłe ogniwo słoneczne na sterydach, mówi Case.

W marcu Oxford PV powiedział, że tak uniesiony ponad 40 milionów dolarów, aby wprowadzić swoje produkty na rynek, co daje łączne finansowanie i finansowanie do około 100 milionów dolarów. Fabryka będzie co roku wypompowywać ogniwa o mocy 250 megawatów.

Inny start-up z perowskitu, Energy Materials, również chce wykorzystać produkcję roll-to-roll. Z siedzibą w Rochester w stanie Nowy Jork, wykorzystuje sprzęt filmowy pierwotnie zbudowany dla Eastman Kodak do masowej produkcji paneli słonecznych zawierających tylko perowskit. W pełnej skali proces będzie kosztował o połowę mniej niż wytworzenie tradycyjnego modułu słonecznego, podczas gdy koszty kapitałowe będą o rząd wielkości tańsze, ponieważ krzem wymaga kosztownych, precyzyjnych maszyn i instalacji, mówi Thomas Tombs, dyrektor ds. technologii w firmie.

Elastyczne ogniwo słoneczne perowskitowe firmy Swift Solar. Szybki Solar

Ponieważ perowskit może być elastyczny, półprzezroczysty i lekki, może być również stosowany tam, gdzie ciężkie, sztywne panele słoneczne nie będą działać – na oknach, bardziej skrzypiących dachach, powierzchniach o nieregularnych kształtach, a nawet w poruszających się pojazdach.

Swift Solar, startup związany z NREL, który ma: uniesiony prawie 7 milionów dolarów w ostatnich miesiącach, jest patrzeć na Według dyrektora generalnego Joela Jeana, umieszczenie tandemowych ogniw słonecznych perowskit-perowskit – które wykorzystują dwie warstwy perowskitu, z których każda jest dostrojona do innej części widma – na drony i pojazdy elektryczne, aby zwiększyć ich zasięg. Takie ogniwo mogłoby być bardzo wydajne, a także bardziej elastyczne i lżejsze niż ogniwo z grubą warstwą krzemu.

Odblokowywanie nowych zastosowań energii słonecznej

W jego książce Oswajanie słońca, Varun Sivaram, dyrektor ds. technologii w ReNew Power, twierdzi, że nowe technologie słoneczne, takie jak perowskity, mogą być niezbędne do ostatecznego zastąpienia paliw kopalnych.

Ale po co nam jeszcze tańsza energia słoneczna, skoro panele krzemowe są już konkurencyjne w stosunku do, powiedzmy, elektrowni węglowej?

Jednym z największych problemów z energią słoneczną jest to, że gdy już generuje znaczną część energii elektrycznej w sieci, dodatkowa wartość następnego panelu lub elektrowni zaczyna gwałtownie spadać.

Dzieje się tak, ponieważ w nocy farmy fotowoltaiczne w ogóle nie wytwarzają energii elektrycznej, co oznacza, że ​​reszta systemu nadal musi być w stanie zaspokoić całkowite zapotrzebowanie. Z drugiej strony w słoneczne dni może być więcej energii elektrycznej, niż system może zużyć lub przechować. To już się dzieje w regionach z dużą ilością energii słonecznej, takich jak Niemcy, Chiny i Kalifornia.

Operatorzy sieci muszą regularnie zmuszać farmy fotowoltaiczne lub zachęcać je do ograniczania produkcji, często poprzez obniżanie cen do zera lub nawet poniżej. To może zmniejszyć zyski elektrowni słonecznych, co eliminuje zachęty ekonomiczne do budowy ich większej liczby i dalszego ograniczania zużycia paliw kopalnych.

W papier opublikowanym w Nature Energy w 2016 r. Sivaram i Shayle Kann, obecnie dyrektor zarządzający firmy private equity Energy Impact Partners, obliczyli, że aby zachować zachęty ekonomiczne do dalszego budowania większej liczby elektrowni, koszt rozwoju energii słonecznej musiałby spaść do 25 centów na wat . Całkowite koszty najtańszych systemów komercyjnych wynoszą 1,06 USD za wat, zgodnie z najnowszy raport NREL .

W dużej mierze jest to spowodowane wysoką ceną instalacji i okablowania nieporęcznego sprzętu. Tak więc obniżenie ceny, które prawdopodobnie będzie wymagało nie tylko tanich ogniw słonecznych, ale także lekkich, elastycznych, łatwiejszych do rozmieszczenia. Perowskity są dziś najbardziej obiecującym materiałem do zrobienia czegoś takiego, mówi Sivaram.

Tania energia słoneczna może również obniżyć koszty takich rzeczy, jak odsalanie wody morskiej, sztuczne drzewa, które mogą wysysać dwutlenek węgla z atmosfery lub elektrolizery, które mogą przekształcać nadwyżkę energii w paliwo wodorowe.

Odblokowuje wszystkie inne nowe aplikacje, o których nigdy wcześniej nie myśleliśmy, mówi Sivaram.

Problem niestabilności

Trudniejszym pytaniem dotyczącym perowskitów jest ich trwałość. Skoki wydajności nie mają większego znaczenia, jeśli materiał wytrzymuje tylko kilka miesięcy, a nawet lat – i jak dotąd perowskity miały tendencję do szybkiego degradacji pod wpływem światła ultrafioletowego i wilgoci.

To bardzo duży problem dla materiału, który musi leżeć pod słońcem przez kilkadziesiąt lat. A jeśli firmy wprowadzą na rynek panele perowskitowe, które zbyt wcześnie kończą się niepowodzeniem, nadszarpnie to reputację materiału, nawet jeśli później opracują bardziej trwałe wersje.

Pracownik fotowoltaiki z Oxfordu bada komercyjne tandemowe ogniwa słoneczne z perowskitu i krzemu. Oksford PV

Na razie plan rynkowy Oxford PV zależy od tego, czy jego ogniwo perowskitowo-krzemowe może działać i wyglądać jak standardowy silikonowy panel słoneczny, co obejmuje pakowanie go w szklaną obudowę, która pomoże mu przetrwać dłużej.

Jednak firma musiała ciężko pracować nad stabilnością samego materiału, stosując modelowanie obliczeniowe i szybkie badania przesiewowe, aby wskazać obiecujące kompozycje spośród około pół miliona możliwości. Receptura firmy na perowskity jest zastrzeżona, ale jej dyrektor generalny, Frank Averdung, jest uparty. Rozwiązaliśmy problem niezawodności – mówi. Udało nam się to osiągnąć i to jest powód, dla którego możemy teraz przejść do trybu produkcyjnego.

ukryć