Kazalo
V enem naših prejšnjih prispevkov, kjer smo pisali o učinkovitosti solarnih modulov, smo poleg trenutno uporabljenih tehnologij (PERC obojestranske celice, podvojene celice) že omenili tudi nove tehnologije. Ker se prihodnost v današnjih časih bliža hitreje, kot si mislimo, bomo danes malce več zapisali o eni novih tehnologij. Ta bo spremenila, predvsem pa optimizirala delovanje solarnih modulov in s tem sončne elektrarne – tako imenovane perovskitne sončne celice.
Kaj je perovskit?
Perovskit je material, ki ima enako kristalno strukturo kot mineral kalcijev titanov oksid, prvi odkriti kristal perovskita. Na splošno imajo perovskitne spojine kemično formulo ABX3, kjer A in B predstavljata katione, X pa je anion, ki se veže na oba. Veliko število različnih elementov je mogoče kombinirati skupaj, da tvorijo perovskitne strukture. Z uporabo te kompozicijske prilagodljivosti lahko znanstveniki oblikujejo kristale perovskita, ki imajo široko paleto fizičnih, optičnih in električnih lastnosti. Kristale perovskita danes najdemo v ultrazvočnih napravah, pomnilniških čipih, vedno več pa tudi v sončnih celicah.
Primerjava silicijevih in perovskitnih sončnih celic
Vse fotonapetostne sončne celice se zanašajo na polprevodnike – materiale med električnimi izolatorji, kot so steklo in kovina, npr. baker – da pretvorijo energijo iz svetlobe v elektriko. Sončna svetloba vzbuja elektrone v polprevodniškem materialu, ki tečejo v prevodne elektrode in proizvajajo električni tok.
Silicij je primarni polprevodniški material, ki se uporablja v sončnih celicah že od petdesetih let prejšnjega stoletja. Njegove polprevodniške lastnosti se dobro ujemajo s spektrom sončnih žarkov, hkrati pa ga v naravi zaenkrat še ne primanjkuje. Vendar pa veliki silicijevi kristali, ki se uporabljajo v običajnih sončnih panelih, zahtevajo drag in večstopenjski proizvodni proces. Ta žal porablja veliko energije. V iskanju alternative so znanstveniki izkoristili nastavljivost perovskitov za ustvarjanje polprevodnikov s podobnimi lastnostmi kot silicij. Sončne celice iz perovskita lahko proizvedemo s preprostimi tehnikami aditivnega nanašanja, kot je tiskanje. Zaradi prožnosti kompozicije perovskitov jih je mogoče tudi prilagoditi tako, da se idealno ujemajo s sončnim spektrom.
Prednosti perovskitne sončne celice
Leta 2012 so raziskovalci prvič odkrili, kako narediti stabilno, tankoslojno perovskitno sončno celico. Učinkovitost pretvorbe svetlobe iz fotona v elektron je bila več kot 10%, uporabili pa so svinčeve halogenidne perovskite kot sloj, ki absorbira svetlobo.
Od takrat se je učinkovitost pretvorbe sončne svetlobe v električno moč perovskitnih sončnih celic močno povečala, laboratorijski rekord pa je znašal 25,2 %.
Raziskovalci prav tako združujejo perovskitne sončne celice z običajnimi silicijevimi sončnimi celicami – rekordna učinkovitost teh tandemskih celic »perovskit na siliciju« je trenutno 29,1 % (presega rekord 27 % za običajne silicijeve celice) in hitro narašča. S tem hitrim porastom učinkovitosti celic lahko perovskitne sončne celice in perovskitne tandemske sončne celice kmalu postanejo stroškovno ugodne in visoko učinkovite alternative običajnim silicijevim sončnim celicam.
Kaj so trenutne ovire za širšo proizvodnjo perovskitnih celic?
Medtem ko sončne celice iz perovskita, vključno s perovskitom na siliciju, komercializira že na desetine podjetij po vsem svetu, se je treba še vedno soočiti z osnovnimi znanstvenimi in inženirskimi izzivi. Ti lahko izboljšajo njihovo zmogljivost, zanesljivost in proizvodnjo.
Nekateri raziskovalci perovskita še naprej spodbujajo učinkovitost pretvorbe z odkrivanjem napak v perovskitu. Medtem ko so perovskitni polprevodniki izjemno tolerantni na napake, napake še vedno negativno vplivajo na zmogljivost. Zlasti tiste, ki se pojavljajo na površini aktivne plasti. Drugi raziskovalci raziskujejo nove kemične formulacije perovskita, da bi prilagodili njihove elektronske lastnosti za posebne aplikacije (kot so tandemske celice) ali še izboljšali njihovo stabilnost in življenjsko dobo.
Raziskovalci delajo tudi na novih zasnovah celic in novih strategijah za zaščito perovskitov pred okoljem in skušajo razumeti osnovne poti razgradnje. Tako bodo lahko napovedali, kako bodo perovskitne sončne celice trajale na strehah. Drugi raziskujejo različne proizvodne postopke, vključno s tem, kako prilagoditi perovskitna “črnila” uveljavljenim metodam tiskanja za večje rešitve. Nenazadnje, medtem ko so najbolj učinkoviti perovskiti danes izdelani z majhno količino svinca, raziskovalci raziskujejo tudi alternativne sestave in nove strategije, ki bi zmanjšale vsebnost toksičnega svinca.
Kako po svetu napreduje razvoj perovskitne tehnolgije?
Pasivizacija
Pri kristalih perovskita se pogosto kažejo napake na atomski ravni, ki pa lahko zmanjšajo učinkovitost sončne pretvorbe. Glavni znanstvenik CEI (Clean Energy Insitute iz Washingtona) in profesor kemije David Ginger je razvil tehnike “pasivizacije”, pri čemer je perovskite obdelal z različnimi kemičnimi spojinami za odpravo teh napak. Toda ko so kristali perovskita sestavljeni v sončne celice, lahko elektrode za zbiranje toka ustvarijo dodatne napake. Leta 2019 so Ginger in sodelavci pri Georgia Tech prejeli sredstva od Urada za tehnologijo sončne energije (SETO) ameriškega ministrstva za energijo za razvoj novih strategij pasivizacije in novih materialov za zbiranje naboja,
ki omogočajo sončnim celicam perovskita, da dosežejo svoj polni potencial učinkovitosti, hkrati pa ostane proizvodnja stroškovno ugodna.
Modifikacija
Profesor kemije Daniel Gamelin in njegova skupina si prizadevata modificirati silicijeve sončne celice s perovskitnimi premazi. S tem bi učinkoviteje zbirali visokoenergijske fotone modre svetlobe, pri čemer bi obšli teoretično mejo 33-odstotne pretvorbe za običajne silicijeve celice. Gamelin in njegova ekipa sta razvila perovskitne kvantne pike, drobne delce, tisočkrat manjše od človeškega lasu. Ti lahko absorbirajo visokoenergijske fotone in oddajajo dvakrat več fotonov z nizko energijo s postopkom, imenovanim “kvantno rezanje”. Vsak foton, ki ga absorbira sončna celica, ustvari en elektron, tako da bi lahko prevleka s kvantno piko perovskita dramatično poveča učinkovitost pretvorbe.
Gamelin in njegova ekipa sta ustanovila družbo BlueDot Photonics za komercializacijo tehnologije. S financiranjem SETO Gamelin in BlueDot razvijata tehnike nanašanja za ustvarjanje tankih filmov iz perovskitnih materialov za sončne celice velike površine in za izboljšanje običajnih silikonskih sončnih celic.
Algoritmi strojnega učenja
Profesor kemijskega inženirstva Hugh Hillhouse uporablja algoritme strojnega učenja za pomoč pri raziskavah perovskitov. Z uporabo fotoluminiscence, Hillhouse in njegova skupina preizkušata različne hibridne perovskite za dolgoročno stabilnost. Ti poskusi ustvarjajo ogromne nabore podatkov, vendar z uporabo strojnega učenja želijo ustvariti napovedni model degradacije za sončne celice iz perovskita.
Ta model jim lahko pomaga optimizirati kemično sestavo in strukturo sončne celice iz perovskita za dolgoročno stabilnost – ki je danes ključna ovira za komercializacijo.
Testiranja
V washingtonskem Clean Energy Testbeds, laboratoriju z odprtim dostopom, ki ga upravlja CEI, lahko raziskovalci in podjetniki uporabljajo najsodobnejšo opremo za razvoj, testiranje in obseg tehnologij, kot so sončne celice perovskita. S pomočjo tiskalnika na testnih mestih lahko perovskitna črnila tiskate pri nizkih temperaturah na fleksibilne podlage. Tehnični direktor Testbeds J. Devin MacKenzie, profesor znanosti o materialih in inženiringa ter strojništva na UW, je strokovnjak za materiale in tehnike za visoko zmogljivo proizvodnjo z nizkim ogljičnim odtisom. Eden najaktivnejših projektov njegove skupine, ki ga financira tudi SETO, razvija instrumente, ki lahko merijo rast kristalov perovskita. Ti se namreč med tiskom hitro odlagajo. S podporo Skupnega centra za razvoj in raziskave zemeljskih materialov (JCDREAM) skupina MacKenzie uporablja tudi tiskalnik z najvišjo ločljivostjo na svetu za razvoj novih elektrod za črpanje električnega toka iz perovskitnih sončnih celic, ne da bi preprečili vstop sončne svetlobe v celico.
Razvoj perovskitne tehnologije pri nas
Tudi v Sloveniji se zavedamo pomena te nove tehnologije, zato že od leta 2016 v Laboratoriju za fotovoltaiko in optoelektroniko Fakultete za elektrotehniko raziskujejo perovskitne sončne celice (2).
Sprva so se osredotočali predvsem na optično analizo tandemskih perovskitnih sončnih celic (silicij in perovskit), leta 2020 pa so laboratorij opremili s specializiranimi napravami za izdelavo perovskitnih sončnih celic. Tri suhe komore (gloveboxi), kjer lahko posamezne plasti nanašajo s spinskim nanosom ali naparevanjem. Te sončne celice zaenkrat dosegajo visoko učinkovitost pretvorbe, in sicer 19%.
Raziskave laboratorija so trenutne usmerjene predvsem v:
- Izdelavo visoko učinkovitih in stabilnih enospojnih perovskitnih celic
- Analizo stabilnosti teh celic pod realnimi pogoji
- Izdelavo merilnih sistemov za spremljanje stabilnosti perovskitnih enospojnih in tandemskih sončnih celic
- Optično optimizacijo tandemskih sončnih celic
- Analizo energijskega izplena enospojnih in tandemskih celic
- Meritve elektroluminiscenčnega odziva PSC
Sodelovali so tudi pri razvoju in testiranju trenutno najučinkovitejše objavljene tandemske celice z učinkovitostjo pretvorbe 29,2%. Članek je bil objavljen v reviji Science (3).