Olga Malinkiewicz. Dzięki niej będziemy świadkami rewolucji w fotowoltaice
Zastosowanie perowskitów w fotowoltaice pozwoliło osiagnąć 20% wydajność ogniw zaledwie po 3 latach prac. Tymczasem najczęsciej stosowane obecnie ogniwa krzemowe mają kilkanaście procent. Dlaczego ich wykorzystanie do produkcji energii słonecznej może być największym przełomem w produkcji energii ze słońca tłumaczy w wywiadzie dla Gramwzielone.pl Olga Malinkiewicz, młoda polska naukowiec, która dokonała przełomowego odkrycia w pracach nad ich zastosowaniem w fotowoltaice, za co otrzymała prestiżową nagrodę Photonics21 przyznawaną przez Komisję Europejską za wybitne osiągnięcia w dziedzinie fotowoltaiki.
Gramwzielone.pl: O możliwości zastosowania perowskitów w fotowoltaice zrobiło się ostatnio głośno. Dlaczego ich zastosowanie może być przełomem w produkcji energii ze słońca i jakie mają one zalety w porównaniu do tradycyjnych ogniw stosowanych obecnie na rynku?
Olga Malinkiewicz: Przede wszystkim perowskity różnią się tym od tradycyjnych materiałów stosowanych w fotowoltaice, że można je wytworzyć dużo mniejszym kosztem, ponieważ nie potrzebują tak skomplikowanej infrastruktury np. clean-roomów czy maszyn do domieszkowania. Perowskity to zwykła tzw. mokra chemia. Można je nałożyć na przykład za pomocą spraya. Ich wytworzenie trwa zaledwie chwilę, w przeciwieństwie do innych rodzajów ogniw, do których produkcji potrzebne są nieraz całe fabryki. Niski koszt wytworzenia ogniw z perowskitów stanowi już ogromną przewagę nad ogniwami stosowanymi obecnie. Metoda, która zostala dostrzeżona i doceniona przez Komisję Europejską, nie wymaga użycia wysokich temperatur do wytwarzania ogniw perowskitowych, a przecież każdy proces wymagający wysokich temperatur zawyża koszty.
Tak jak w przypadku paneli krystalicznych.
– Dokładnie, w ich przypadku produkcja jest bardzo kosztowna, ponieważ jest powolna i wymaga wysokich temperatur. W przypadku perowskitów nie jest to problemem. Temperatura podłoża, na które można je nałożyć, nie przekracza 30 stopni C., a to rozszerza ich zastosowanie – nie trzeba ich nakładać tylko na szkło. Można myśleć np. o nakładaniu ich na folię czy nawet papier.
Jakie daje to możliwości?
– W przypadku nałożenia na folię można szybko uruchomić produkcję i produkować takich ogniw dużo i w krótkim czasie, co również zmniejsza koszty.
Ktoś może powiedzieć, że to wszystko oferują ogniwa organiczne, które też można nałożyć na folię i w niskich temperaturach. Różnica jest jednak taka, że ogniwa organiczne w porównaniu do perowskitowych są dużo mniej wydajne.
A jaka wydajność ogniw perowskitowych jest obecnie osiągalna?
– Zaledwie w ciągu 3 lat prac nad zastosowaniem perowskitów w fotowoltaice wydajność ogniw perowskitowych wzrosła praktycznie do 20%. Certyfikację ma sprawność na poziomie 18%, jednak 20% jest już standardem w wielu laboratoriach.
Czy są czynniki, które mogą zablokować rozwój ogniw z perowskitów? W przypadku ogniw cienkowarstwowych jest na przykład ryzyko, że rozwój tej technologii zostanie powstrzymany przez ograniczenie podaży surowców wykorzystywanych do ich produkcji, co zwiększy koszty ich wytworzenia. Czy takie niebezpieczeństwo wiąże się także z produkcją ogniw z perowskitów? Jak wygląda sytuacją z dostępnością substratów?
– Zupełnie nie ma ryzyka, że zabraknie substratów. Sam materiał jest powszechnie dostępny, w zasadzie niewyczerpalny. Jedną z zalet perowskitów jest też to, że w ich strukturze możemy podmieniać dowolne związki organiczne czy nieorganiczne. Ważne tylko, aby zachować strukturę perowskitu.
Z czego zatem składają się perowskity?
– Perowskity to układ siatki krystalicznej. Chodzi tylko o zachowanie architektury kryształu, a jakie rodzaje cząsteczek zastosujemy do jego budowy zależy tylko od nas i możemy je dowolnie tworzyć czy wymieniać.
Perowskit stosowany obecnie w ogniwach słonecznych to hybryda łącząca w jednej strukturze materiały organiczne i nieorganiczne. Dzieki takiemu połączeniu zyskuje unikalne właściwości w porównaniu z innymi już istniejącymi materiałami. Część nieorganiczna odpowiada np. za wysoką absorbcję światła, przewyższającą nawet arsenek galu, i doskonały transport. Dzieki temu, ze ogniwa perowskitowe mogą pochłonąć większość energii słonecznej w ultra cienkich warstwach, wytworzony ładunek elektryczny nie musi pokonywać długiej drogi do elektrod, tym samym minimalizujac straty. Warto zaznaczyć, że ogniwa perowskitowe są w stanie wytwarzać napięcie rzędu 1V (i wiecej), przy przerwie energetycznej 1.5eV.
Dzięki obecnosci częćci organicznej, perowskit daje szansę na tanią fotowoltaikę, bo można go rozpuścić w wielu rozpuszczalnikach i nanieść na dowolną powierzchnię.
Ogromnie upraszczając, można sobie wyobrazić perowskit jako taki rozpuszczalny odpowiednik arsenku galu, najlepszyego obecnie (i najdroższego) materialu nieorganicznego stosowanego w ogniwach słonecznych.
Jaka jest zatem optymalna grubość ogniwa perowskitowego?
– Już ogniwa perowskitowe o grubości 300 nm, są w stanie zaabsorbować całe światło i z dużą sprawnością przetworzą je w energię elektryczną.
Co jest największym wyzwaniem w pracach nad budową ogniw perowskitowych?
– Jednym z większych wyzwań będzie znalezienie taniego odpowiednika ITO – przeźroczystego, mającego właściwości przewodzące związku indu (indium), który stanowi obecnie połowę kosztu wytworzenia ogniwa perowskitowego. To zresztą doskonały temat na osobne badania.
Obecnie po trzech latach doszliśmy do wydajności 20%. Teoretyczny limit dla pojedyńczego ogniwa to 30%. Aby osiągnąć teoretyczny limit, można np. spróbować wytworzyć perowskity, które będą pracować w większych zakresach światła np. w podczerwieni, nie tylko w świetle widzialnym – to jednak temat dla chemików.
Ponad wszystko jednak, na dzień dzisiejszy najważniejsze jest udowodnienie stabilności tego rodzaju ogniw.
Jaka jest Twoja wizja fotowoltaiki? Czy ma coś wspólnego z obecnymi systemami PV pracującymi na bazie tradycyjnych paneli fotowoltaicznych?
– Kompletnie nie. Fotowoltaika ma się komponować z budynkami. Folię z ogniwami perowskitowymi wystarczy rozwinąć na ścianie i podłączyć kable.
Jak istotne jest zatem ustawienie ogniw perowskitowych względem Słońca? Czy ma to tak duże znaczenie jak w przypadku ogniw krystalicznych?
– Ponieważ ogniwa perowskitowe mogą być tak cienkie, kąt padania promieni słonecznych przestaje odgrywać tak istotną rolę jak w przypadku ogniw nieorganicznych. Jeśli to jest 300 nm, niezależnie od kąta przechodzi przez nie w zasadzie taka sama ilość światła.
Ogniwa perowskitowe można też oczywiście montować na dachach. Tutaj zaletą – w porównaniu do ciężkich ogniw krzemowych – jest ich lekkość, dzięki czemu można nimi pokryć dużo większe powierzchnie. Ogniwo perowskitowe to w zasadzie waga folii, na którą ją nałożymy.
Dodatkowo ogniwa perowskitowe dają większe możliwości zastosowania fotowoltaiki w architekturze niż ogniwa krystaliczne. Mogą mieć bowiem różne kolory i mogą być przeźroczyste. Cel to fotowoltaika totalnie zintegrowana z budynkami. Praktycznie niewidoczna.
Link do II części wywiadu z Olgą Malinkiewicz.
Ogniwo perowskitowe. Foto: Olga Malinkiewicz.
…
gramwzielone.pl
