Przyszłość energii słonecznej z wydajnymi i bezpiecznymi perowskitowymi ogniwami fotowoltaicznymi
Ogniwa słoneczne wykorzystujące perowskity (kryształy złożone z trzech składników) mogą ożywić sektor energii fotowoltaicznej. Takie ogniwa słoneczne mogą być półprzezroczyste, charakteryzując się przy tym się znacznie wyższym współczynnikiem kWh/mocy nominalnej w porównaniu z tradycyjnymi krzemowymi ogniwami słonecznymi. W ramach finansowanego przez UE projektu GOTSolar opracowano nowe formuły perowskitowe, które były stabilne i łatwe w przygotowaniu, a jednocześnie wykazywały bardzo wysoką wydajność fotowoltaiczną, w tym tak zwaną formułę „trójkationową1”, stanowiącą obecnie standard w tej branży. Dzięki projektowi opracowano również proces uszczelniania szkła przy pomocy wspieranej laserem hermetyzacji w temperaturze około 85°C, co również stanowi przełom. Wynalazek ten pozwala na hermetyzację bardzo wydajnych, perowskitowych ogniw słonecznych bez wycieków ołowiu, co sprawia, że są one bardziej stabilne i bezpieczniejsze niż alternatywy. Nowe materiały i procesy Ogniwa opracowane w ramach projektu GOTSolar wykorzystują szkielet z tlenku metalu do utrzymywania perowskitu, z mezostrukturą wspierającą proces jego krystalizacji, tak aby stworzyć wysoce wydajny system zbioru energii słonecznej. Całość dopełniają stałe materiały transportujące (Hole Transport Materials, HTM) i elektroda przeciwna. „W przypadku półprzewodnika, który absorbuje światło, jeden elektron o niskiej energii przechodzi do wyższego stanu energii, co pozostawia »dziurę« na poziomie niskiej energii”, wyjaśnia koordynator projektu prof. Adelio Mendes. „Wzbudzony elektron może przepłynąć do jednej lub drugiej powierzchni półprzewodnika, ale granicę międzyfazową może przekroczyć jedynie w przypadku, gdy z drugiej strony obecna jest warstwa ekstrakcji elektronów, którą w naszym przypadku tworzy dwutlenek tytanu. »Dziury« mogą przepłynąć do jednej lub drugiej powierzchni, ale mogą przekroczyć tylko granicę z HTM”. Interakcje warstwy ekstrakcji elektronów, szkieletu z tlenku metalu, perowskitowego pochłaniacza i warstwy HTM zostały zbadane i zmierzone w celu określenia okoliczności, w których elektrony i zbiór dziur korzystnie optymalizują działanie całego urządzenia. Dzięki temu zespół był w stanie podnieść wydajność procesu konwersji energii fotowoltaicznej o 23,25 % dla urządzenia laboratoryjnego oraz wytworzyć urządzenia stabilne przez 500 godzin w temperaturze wynoszącej 85°C. W ogniwach laboratoryjnych stworzono również bezołowiowe pochłaniacze światła, które osiągnęły wydajność konwersji energii na poziomie 14 %. Zbudowano też zamknięty w szkle prototyp o powierzchni 16 cm2, aby wykazać możliwość przeniesienia do większej skali pierwszych perowskitowych modułów solarnych o wydajności energetycznej na poziomie 12,5 % i potencjalnym czasie użyteczności wynoszącym 20 lat. Koordynatorzy projektu GOTSolar oczekują, że pierwsze panele z perowskitowymi ogniwami słonecznymi (PSC) będą dostępne w sprzedaży do 2020 roku. Zrobić więcej, mając mniej Jednym z kluczowych zastosowań tej technologii będzie wykorzystanie w budynkach odłączonych od sieci energetycznej. Jednak, aby to stało się opłacalne, koszty posiadania muszą być niższe niż dla tradycyjnych domów. Z oczywistych względów łatwiej to osiągnąć w krajach południa, które charakteryzują się dużo większym nasłonecznieniem. „W krajach Europy Północnej i Środkowej kluczowe będą nowe ogniwa krzemowo-perowskitowe, tzw. ogniwa tandemowe, ponieważ oczekuje się, że będą wykazywać efektywność konwersji energii na poziomie około 30 %, w rezultacie wytwarzając większą ilość energii z mniejszego obszaru pokrytego ogniwami fotowoltaicznymi”, mówi prof. Mendes. Największym osiągnięciem projektu GOTSolar był jego wkład w znaczne obniżenie kosztów tych ogniw fotowoltaicznych dzięki lokalnej produkcji. Zespół nadal bada podstawowe właściwości ogniw perowskitowych, opracowuje nowe formuły i struktury, a także poszukuje nowych materiałów HTM i przejrzystych substratów szklanych lepiej przewodzących energię elektryczną. Realizuje również nowe strategie produkcyjne, usprawniając jednocześnie proces hermetyzacji w szkle, aby umożliwić produkcję wydajniejszych, bardziej opłacalnych, niezawodnych i estetycznych urządzeń.
Słowa kluczowe
GOTSolar, energia słoneczna, perowskit, fotowoltaiczne, hermetyzacja, tlenek metalu, elektron, słońce
