Świat czeka słoneczna rewolucja, a pomoże w niej polski wynalazek [KOMENTARZ]

Agencja Rynku Energii informowała, iż energia produkowana z paneli PV w Polsce wzrosła z 1 551 MW w 2019 do 7 670 MW mocy zainstalowanej w 2021 roku. Tradycyjne, krzemowe panele oprócz niewątpliwie wielu zalet, mają również wady. Ogniwa perowskitowe, stanowiące jedną z najbardziej znaczących innowacji w fotowoltaice, mogą być odpowiedzią na te wady. Czy mają one jednak szansę zastąpić tradycyjne, krzemowe panele?

Krótka historia fotowoltaiki

Pierwszy moduł fotowoltaiczny został wyprodukowany w 1954 roku. Naukowcy Gerald Pearson, Daryl Chapin i Calvin Fuller, dokonali opracowania pierwszego krzemowego ogniwa słonecznego, przez które przepływał prąd elektryczny. Mimo iż sprawność modułu wynosiła jedynie 1%, wynalazek ogłoszono jako wielką szansę na nieograniczone wykorzystanie energii słonecznej do produkcji czystej energii elektrycznej. Z biegiem lat naukowcy opracowywali coraz lepsze i tańsze rozwiązania, które w efekcie pozwoliły na komercjalizację paneli fotowoltaicznych. Obecnie obserwuje się ciągły wzrost liczby instalacji PV, zwłaszcza w gospodarstwach domowych.

Co sprawiło, że do roli półprzewodnika prądu elektrycznego zastosowano głównie krzem? Moduły fotowoltaiczne stanowią połączone w grupy ogniwa. Krzem, występujący powszechnie w środowisku naturalnym, stanowi dobre i tanie źródło do produkcji paneli fotowoltaicznych. Produkcja następuje z zastosowaniem reakcji chemicznych działających w wysokiej temperaturze. Powstają struktury polikrystaliczne i monokrystaliczne. Moduły krzemowe zapewniają dobrą wydajność energetyczną oraz wysoką sprawność w odniesieniu do innych technologii, dochodzącą do 20%. Dodatkowo odznaczają się dość długą żywotnością oraz są trwałym i wytrzymałym materiałem, który dobrze przewodzi prąd. Instalacje fotowoltaiczne są również wolne od korozji. Ich obecny udział na rynku paneli PV wynosi około 90%.

Efektywniejsze rozwiązanie

Jak większość technologii, krzemowe ogniwa fotowoltaiczne oprócz wielu zalet mają także wady. Panele fotowoltaiczne potrzebują energii słonecznej, aby wytworzyć prąd elektryczny. Zachmurzenie może spowodować spadek mocy nawet o 70-80%, co wpływa na niestabilność całego systemu. Kolejną z bardziej istotnych niedogodności jest fakt, iż sprawność całego układu zależy od sprawności pojedynczego panelu. Zacienienie, zalegający śnieg czy zanieczyszczenia bardzo negatywnie wpływają na wydajność całej instalacji fotowoltaicznej, obniżając ją. Moduły są kłopotliwe w montażu ze względu na dość duży rozmiar i średnią wagę 20 kg, co przy większej ilości może znacznie obciążać strukturę dachu. Dodatkowo, brak elastyczności, kruchość i sztywna konstrukcja uniemożliwiają swobodne rozmieszczanie instalacji na połaciach dachu. Nasuwające się pytania o żywotność i sposoby recyklingu bądź utylizacji paneli, napawają obawami również potencjalnych inwestorów i prosumentów. Remedium na powyższe problemy mogą okazać się innowacyjne ogniwa wykonane na bazie minerału o krystalicznej strukturze, nazywanego perowskitem.

Zasada działania i technologia wytwarzania

Perowskitowe ogniwo słoneczne (ang. perovskite solar cell, PSC) zawiera związek o strukturze perowskitu jako warstwę aktywną zbierającą światło. Najczęściej jest to nieorganiczny materiał na bazie halogenku ołowiu lub cyny. Cechy charakterystyczne minerału to krystaliczna struktura czy mnogość występowania w różnych innych związkach, mających szerokie właściwości, zastosowania i znaczenie. Mimo, iż perowskit został odkryty w 1839 roku, dopiero od niedawna zaczęto zajmować się badaniami nad cechami tego związku i jego potencjału do produkcji energii elektrycznej. Sprawność ogniw słonecznych w instalacjach tego typu zwiększyła się z niespełna 4% w 2009 roku do ponad 25% w 2020 roku i stale wzrasta. Możliwe jest łączenie technologii perowskitowej z krzemową, a wykonane badania w tym kierunku pokazały wzrost sprawności nawet do 30%. W efekcie daje to znacznie lepszy rezultat niż przy tradycyjnych modułach. Obecnie, zważając na wszystkie technologie związane z rozwojem fotowoltaiki, perowskitowe ogniwa słoneczne są najszybciej rozwijającym się kierunkiem w związku z komercjalizacją, obniżeniem kosztów wytwarzania i usprawniania produkcji. Bardzo ważny z punktu widzenia rozwoju technologii ogniw perowskitowych jest sposób ich produkcji, który jest coraz mniej kosztowny. Aby wyprodukować panele krzemowe, konieczna jest bardzo wysoka temperatura, zaś wytworzenie ogniwa perowskitowego odbywa się już w znacznie niższych temperaturach, co może mieć wpływ na spadek emisji przy produkcji. Kolejną bardzo istotną i przełomową własnością nowej technologii jest możliwość działania także w sztucznym świetle, co umożliwia zastosowanie innowacyjnych rozwiązań wewnątrz budynków. W rozwoju i popularyzacji ogniw perowskitowych ma udział Polka - fizyk i wynalazca -  Olga Malinkiewicz. Opracowała tańszą, niskotemperaturową metodę wytwarzania możliwą do wykorzystania na skalę przemysłową. W 2014 roku w Bostonie zaprezentowała swoją technologię polegającą na produkcji foliowych arkuszy, na których za pomocą druku atramentowego, w niskich temperaturach umieszczane są ogniwa.

Zalety i wady ogniw perowskitowych

Z wielu korzyści zastosowania perowskitów można wymienić między innymi ich dużą elastyczność i lekkość. Pozwala to na dowolne umiejscowienie i zamontowanie instalacji na wielu różnych powierzchniach. Mogą sprawdzić się więc wszędzie tam, gdzie montaż tradycyjnych paneli nie jest możliwy ze względu na zbyt duży ciężar. Ogniwa perowskitowe, dzięki wysokiej elastyczności, doskonale nadają się do umiejscowienia w trudno dostępnych miejscach, bez względu na kształt ich powierzchni. Elastyczności nie da się uzyskać z użyciem krzemu. Perowskity natomiast, ze względu na wyżej wymienione właściwości będzie można nanosić na fasady budynku, dachy o słabszej konstrukcji czy nawet na przedmioty codziennego użytku. Ogniwa są również półtransparentne, co nie stanowi przeszkody w umieszczeniu ich w oknach, przeszkleniach czy drzwiach. Zdolność pochłaniania światła przez perowskity jest znacznie wyższa od krzemu, a także reagują one na szerszy zakres częstotliwości światła widzialnego. Oznacza to,  że przekształcają więcej światła słonecznego w energię elektryczną niż krzem, dzięki czemu są wydajniejsze. W przyszłości może to umożliwić redukcję ilości materiału niezbędnego do wyprodukowania ogniwa słonecznego, a obecnie wpisuje się w najnowsze strategie związane z ochroną środowiska i klimatu w Europie. Co więcej, sprawność perowskitów stopniowo wzrasta dzięki naukowcom opracowującym coraz lepsze technologie.

Co do słabych stron, ogniwa perowskitowe nie są jeszcze wystarczająco efektywne aby zastosować je na szeroką skalę, np. jako składowe farm fotowoltaicznych. Stabilność jest jeszcze ograniczona w porównaniu do tradycyjnych technologii fotowoltaicznych. Na tym poziomie technologicznym, elastyczność nie idzie w parze z odpornością tworzywa na niekorzystne warunki atmosferyczne. Perowskity mogą ulegać rozkładowi podczas kontaktu z wilgocią i tlenem lub zbyt intensywnego działania promieniowania słonecznego. Nie są również obojętne na duże amplitudy zmian temperatur czy przyłożone napięcie. Trwałość materiału również nie jest jeszcze wystarczająca,  co z pewnością może utrudnić wprowadzenie modułów na użytek zewnętrzny. Poprawa trwałości ogniw jest niezwykle istotna z punktu widzenia komercjalizacji technologii, aby móc produkować na dużą, przemysłową skalę.

Pilotażowy projekt

Perowskity z polskiej fabryki Saule Technologies, zlokalizowanej we Wrocławiu, wybudowanej przez zespół z Olgą Malinkiewicz na czele trafiły na stację benzynową koncernu multienergetycznego PKN Orlen. Etykiety cenowe zasilane perowskitowymi ogniwami działają z pomocą naturalnego i sztucznego światła. Etykiety wyposażono w niewielki wyświetlacz, który zajmuje bardzo mało miejsca i pozwala między innymi na szybką, cyfrową zmianę cen czy wprowadzenie promocji bez konieczności drukowania papierowych elementów. Ogniwo perowskitowe w tym urządzeniu charakteryzuje się wysoką wydajnością pracy w świetle sztucznym i jest w stanie zapewnić zasilanie etykiecie sklepowej na bardzo długi czas, oceniany przez naukowców z Saule Technologies na kilka lat. Jeżeli rozwiązanie się sprawdzi, niewykluczone, że następne etykiety perowskitowe pojawią się na kolejnych stacjach należących do koncernu.

Podsumowanie

Czy w takim razie perowskity są w stanie zastąpić tradycyjne moduły krzemowe? Ogniwa te, ze względu na swoje charakterystyczne właściwości z pewnością są w stanie zrewolucjonizować rynek fotowoltaiki. Z ekonomicznego punktu widzenia, niższy koszt wytwarzania i mniejsze obciążanie dla środowiska przy procesie powstawania tych urządzeń przemawiają za rozpoczęciem produkcji na szeroką, masową skalę. Konieczne jest jednakże ciągłe doskonalenie ogniw, aby nadawały się do pracy nie tylko w sprzyjających warunkach wewnętrznych, ale również na zewnątrz, gdy temperatura jest niska, występują opady deszczu, śniegu lub inne niekorzystne zjawiska. Jeżeli ulegnie poprawie trwałość, odporność i żywotność ogniw perowskitowych, mają one szansę konkurować z panelami krzemowymi, a w przyszłości może nawet dorównywać ich produkcji. Wydaje się, że dobrym rozwiązaniem na ten moment może być hybrydowe połączenie obu technologii. Jakie rozwiązania to przyniesie? Być może dowiemy się już niedługo.

Klaudia Wasilewska, SKN Energetyki SGH