Perowskity – dlaczego określa się je mianem paliwa przyszłości? Co to jest?

Perowskity wywołały w świecie nauki niemałe zamieszanie – wszystko za sprawą ich nowych nietypowych możliwości zastosowania. Co potrafią te ciekawe obiekty, do czego można je wykorzystać i jakie oczekiwania ma wobec nich branża fotowoltaiczna?

Co to jest perowskit?

Choć sama nazwa „perowskit” u niewtajemniczonych może wywoływać skojarzenia z nowoczesnymi, zaawansowanymi technologiami, nic bardziej mylnego – jest to całkowicie naturalny minerał, składający się z tytanianu wapnia i często spotykany w przyrodzie: w skałach lub w magmie. Odnalezienie i opisanie pierwszych takich obiektów miało miejsce już niemal 200 lat temu, jednak dopiero stosunkowo niedawno zaczęliśmy odkrywać sposoby zastosowania ich ciekawych właściwości.

Obecnie wszystkie minerały o strukturze chemicznej podobnej do oryginalnego tytanianu(IV) wapnia nazywa się perowskitami. Należące do tej grupy obiekty nie muszą też wcale być pochodzenia naturalnego – zaliczają się do perowskitów, nawet jeśli zostały stworzone w laboratoryjnych warunkach w całości lub w sposób hybrydowy. Kryterium jest tu wyłącznie struktura.

Zobacz: Czwarty stan skupienia: plazma. Najważniejsze informacje o plazmie

Nazwa „perowskit” bezpośrednio pochodzi od nazwiska Lwa Pierowskiego – rosyjskiego mineraloga żyjącego na przełomie XVIII i XIX wieku.

Słoneczne ogniwa perowskitowe – jak działają? Jaką technologię mogą wyprzeć?

Trend na odnawialne źródła energii wiążę się z dużym popytem na coraz to nowsze, bardziej wydajne rozwiązania tego typu. Wielu zielonym technologiom trudno jednak spełnić wymagania rynku i przebić się również do mainstreamu m.in. ze względu na ich wysokie koszty produkcji i eksploatacji oraz niewielką dostępność materiałów, utrudniającą masową produkcję. Liczne rozwiązania tego typu często przystosowane są również do działania w określonych, niekiedy trudnych do uzyskania warunkach, co dodatkowo ogranicza ich zasięg i powstrzymuje je przed upowszechnieniem się.

Jedną ze stosunkowo tanich i łatwych do wprowadzenia na szerszą skalę rodzajów odnawialnych źródeł energii są panele fotowoltaiczne. Te zbudowane z krzemu wielkie ekrany widujemy obecnie na dachach coraz większej liczby domów, chętnie używają ich także różne gałęzie przemysłu. Choć cechuje je duża dostępność, wymagają one silnego i padającego bezpośrednio na panel światła słonecznego. Rozwiązanie to mogłoby być jednak znacznie lepsze, i to właśnie w poprawieniu jego wydajności mają pomóc perowskity.

Jak? Perowskity, podobnie jak krzem, z którego robione są współczesne panele słoneczne, pochłaniają światło. Badania nad nimi wykazały, że absorbują przy tym znacznie więcej energii słonecznej niż ogniwa krzemowe. To kazało naukowcom podejrzewać, że zmiana materiału używanego w produkcji ekranów fotowoltaicznych na perowskity mogłaby więc znacząco przysłużyć się wzrostowi wydajności tego rozwiązania, a także rozwiązać problem braku działania paneli w obliczu trudnych warunków oświetleniowych.

Niestety, w swojej naturalnej postaci perowskity nie najlepiej radzą sobie z przewodzeniem prądu. Proces produkcji ogniw w tej postaci jest też bardzo wymagający, a przez to kosztowny. Jednak i na tym polu naukowcy mogą odtrąbić spory sukces – problem ten udało się rozwiązać, modyfikując laboratoryjnie strukturę perowskitów. Jako prawdopodobnie pierwsza na świecie technologię tę wykorzystała Polka – Olga Malinkiewicz.

Firma Saule Technologies Olgi Malinkiewicz. Czy doczekamy się masowej produkcji perowskitowych ogniw fotowoltaicznych?

Potencjał perowskitów i płynące z ich zastosowania korzyści dla branży fotowoltaicznej dostrzegła polska naukowczyni dr Olga Malinkiewicz. Opracowała sposób na pokrywanie nimi elastycznych folii i do dziś zajmuje się rozwojem tej technologii pod szyldem swojej otworzonej w 2014 roku firmy, Saule Technologies. Stworzyła również metodę, która pozwala uzyskać ogniwa fotowoltaiczne z perowskitów będące łatwymi w obróbce i wymagającymi mniejszych nakładów finansowych w procesie tworzenia.

Pierwsza na świecie i jak na razie jedyna w Polsce fabryka, którą założyła ta polska firma, znajduje się we Wrocławiu. Można znaleźć w niej pełnoprawną linię produkcyjną, która umożliwia zrealizowanie każdego etapu powstawania tej nietypowej wariacji na temat paneli fotowoltaicznych. Proces odbywa się poprzez drukowanie ogniw perowskitowych na elastycznych foliach.

Technologia ta cieszy się obecnie dużym zainteresowaniem wśród klientów, jednak zespół Saule Technologies nie spoczywa na laurach i ciągle szuka sposobów na ulepszenie swojego produktu. Właściwości nowych, syntetycznych ogniw słonecznych wykonywanych z wykorzystaniem perowskitów sprawiają, że tworzone przez fabrykę firmy panele fotowoltaiczne mogą wkrótce zawojować wiele zupełnie nowych rynków.

Zalety ogniw słonecznych perowskitowych w fotowoltaice. W czym są lepsze od standardowych krzemowych?

Podstawową różnicą pomiędzy ogniwami z krystalicznego krzemu a perowskitami jest sprawność konwersji padającego nań światła na energię elektryczną. W przypadku pierwszego z surowców wynosi on około 22%, zaś drugi z minerałów odnotowuje wartości dwukrotnie większe. Świadczy to o wyższej wydajności perowskitu jako ogniwa słonecznego.

Mogłoby się wydawać, że z wszechobecne krzemowe ekrany są bezkonkurencyjne, jeśli chodzi o zastosowania domowe – w końcu krzem jest dość tani, a dzięki temu łatwo dostępny w postaci paneli słonecznych nawet dla tych bardziej oszczędnych. Sprawa nie jest jednak tak prosta – krzem to materiał dość trudny w obróbce, a stworzenie z niego pełnoprawnego, działającego bez zarzutu ekranu wymaga dużego nakładu środków finansowych, a to oczywiście przekłada się też na wyższą cenę.

Wytwarzane hybrydowo w laboratorium perowskity są tanie zarówno w produkcji, jak i w zaadaptowaniu na potrzeby technologii fotowoltaicznej. Masowa produkcja ogniw z tego materiału mogłaby jeszcze bardziej zredukować średni koszt rozwiązań OZE, co z pewnością przełożyłoby się na zwiększenie popularności technologii na rynku, wywołując zainteresowanie jeszcze większej liczby osób.

Jedną z najbardziej charakterystycznych cech wykonywanych przez firmę Saule Technologies produktów jest to, że mogą one z łatwością dopasować się do niemal dowolnego otoczenia. Folia, na której ogniwa są nadrukowane, może pokrywać nie tylko dachy, ale i ściany, a także wiele innych powierzchni. W przypadku podłoża nieregularnego lub o nietypowych wymiarach wystarczy po prostu przyciąć arkusz do pożądanego kształtu.

Częściowo transparentne „panele” mogą być umieszczane nawet na oknach budynków. Rozwiązanie jest już zresztą stosowane między innymi w warszawskim biurowcu „Spark”, gdzie wyposażona w ogniwa perowskitowe folia znalazła się w 2018 roku. Za instalację odpowiada przedsiębiorstwo Skanska, któremu firma Olgi Malinkiewicz, Salute Technologies, sprzedała prawa do zastosowania technologii w budownictwie komercyjnym.

Jak folia z ogniwami perowskitowymi może zmienić świat?

W kierunku przełomowej technologii drukowania ogniw perowskitowych na folii patrzą również przedstawiciele branż innych niż fotowoltaiczna. Taka powłoka mogłaby służyć na przykład do pokrywania modułów statków kosmicznych lub karoserii nowoczesnych samochodów. Z jej wykorzystaniem możliwe byłoby również tworzenie zupełnie nowych sposobów zasilania codziennie używanych przez nas urządzeń elektronicznych, takich jak smartfony czy tablety.

Ze względu na lekkość folii, możliwe byłoby zastosowanie jej na żaglach statków, znacząco ułatwiając pozyskiwanie energii z promieni słonecznych w tych wyjątkowych warunkach. W perowskity mogłaby zostać wyposażona również… odzież. Pokryte nimi kurtka, koszulka lub plecak stanowiłyby wówczas oryginalną, lecz skuteczną alternatywę dla powerbanków, pozwalając ładować telefon w drodze, bez obaw o brak źródła zasilania.

Stale rozwijające się w naszym kraju ośrodki badań nad perowskitami i najnowsze postępy na polu wytwarzania i zastosowania ich w produkcji ogniw fotowoltaicznych rysują obiecujące perspektywy dla tej wymagającej branży. Czy te wyjątkowe minerały mogą zrewolucjonizować świat fotowoltaiki? Być może przekonamy się o tym już w najbliższych latach.

Źródło obrazka głównego: solliance.eu