Panouri solare Perovskite

O substanță cunoscută oamenilor de știință de mai bine de o sută de ani, abia astăzi, la începutul secolului XXI, s-a dovedit a fi un material foarte promițător pentru producerea de celule solare ieftine și eficiente. Perovskitul, sau titanatul de calciu, găsit pentru prima dată sub forma unui mineral de către geologul german Gustav Rosa în Munții Urali în 1839, și numit după contele Lev Alekseevici Perovsky, un glorios om de stat și colecționar de minerale, eroul războiului patriotic din 1812, s-a dovedit a fi cel mai potrivit pretendent pentru rolul alternativei la siliciu în producția de celule solare.

Ca substanță, până de curând, titanatul de calciu a fost utilizat pe scară largă doar ca dielectric pentru condensatoarele ceramice multistrat. Și acum încearcă să-l aplice pentru a construi panouri solare de înaltă eficiență, deoarece s-a dovedit că acest material absoarbe perfect lumina.

Obișnuit, tradițional lung panouri solare din siliciu la o grosime de 180 microni, ei absorb cât mai multă lumină pe cât perovskitul va absorbi la o grosime de numai 1 micron. Perovskitul, la fel ca siliconul, este un semiconductor și transferă sarcina electrică în același mod sub influența luminii, dar spectrul luminii convertite în electricitate în perovskit este mai larg decât cel al siliciu.

Structura substanței cristaline a titanatului de calciu este identică cu structura mineralului perovskit, de aceea numele lor este același. Și această substanță este cea care se află astăzi pe unul dintre locurile fruntașe în clasamentul căilor de optimizare a energiei solare.

Lucrul este că panourile solare pe bază de siliciu costă în medie 75 de cenți pe 1 kW astăzi, iar panourile solare pe bază de perovskite își vor reduce costurile la 10-15 cenți la 1 kW, adică tehnologia solară perovskită în 5-7 ori mai ieftin decât siliconul, atât în ​​producția de baterii, cât și în funcționarea lor, iar cantitatea de electricitate produsă este aceeași.

Și asta în ciuda faptului că analiștii industriei energetice susțin că deja cu un cost de 50 de cenți la 1 kW, energia solară devine competitivă cu combustibilii fosili. Adică, trecerea la perovskite la scară globală va reduce uneori costul producției de energie electrică, în timp ce procesul de producție al panourilor în sine va fi foarte simplu.

Studii pentru evaluarea și îmbunătățirea eficienței celulelor solare pe bază de perovskit sunt realizate în multe țări: în Australia, Martin Green, în Elveția, Michael Gretzel, în SUA, Henry Saint, Felix Deshler, Leaming Day și Coreea, Sok Sang Il. Cercetătorii declară în unanimitate costurile reduse și eficiența ridicată a tehnologiei promițătoare.

Michael Gretzel susține că eficiența sa de 15% poate fi ușor crescută la 25%, iar celulele solare ieftine din cele disponibile în prezent nu ajung la 15%. Pentru prima dată, în 2009, când vorbeau doar despre posibilitățile de utilizare a perovskitei pentru energia solară, s-a obținut o eficiență de 3,5%, iar celulele au fost de scurtă durată, deoarece electrolitul lichid s-a dizolvat perovskitul și, de îndată ce oamenii de știință au avut timp să măsoare, bateria a încetat să funcționeze.

Cu toate acestea, după trei ani, electrolitul lichid a fost înlocuit cu unul solid, iar celulele au devenit mai stabile, iar eficiența s-a dublat mai întâi, apoi s-a dublat din nou. Mai multe straturi electrice de substrat, dintre care unul acoperit cu un pigment, au rezolvat problema și au deschis perspectiva. Pașii pentru îmbunătățirea eficienței nu se opresc până în zilele noastre, oamenii de știință folosesc, printre altele, metode de optimizare standard care au servit la îmbunătățirea precursorilor siliciului.

Michael Gretzel este sigur că eficiența de 25% va duce la o revoluție a energiei solare.Un profesor din Australia, Martin Green, unul dintre pionierii cercetării, susține că bateriile fără siliciu sunt atât de simple de fabricat și eficiente pentru a funcționa încât există cu siguranță încrederea că viitorul panourilor solare de la Perovskite este luminos, deoarece estimările preliminare prezic deja o reducere uriașă a prețului - la 7 timp.

Un grup de cercetători din Coreea, condus de Sok Sang Il, și-a dezvoltat propria formulă amestecând bromura de plumb de amoniu cu iodură de plumb formamidină, oamenii de știință au obținut o structură atât de perovskită încât au stabilit o eficiență record de 17,9%. Utilizarea amestecului va permite imprimarea celulelor solare, iar costul acestora va fi redus în continuare. Problema rămâne - materialul se dizolvă în apă, în plus, dimensiunea celulelor din teste nu depășea 10 mm pătrați, astfel că cercetările continuă.

Procesul de fabricație de celule solare perovskite pare cercetătorilor destul de simplu. Lichidul este pur și simplu pulverizat pe suprafață sau aplicat sub formă de abur, lucru foarte simplu de realizat tehnologic. Mai multe straturi de materiale sunt aplicate pe folie metalică sau sticlă, dintre care unul este perovskit.

Aici sunt necesare alte materiale pentru a facilita mișcarea electronilor în interiorul elementului. Procesul de fabricație este aproape de ideal. Fizicianul de la Universitatea Oxford, Henry Saint, care lucrează la dezvoltarea celulelor perovskite din Statele Unite, este încrezător că straturile panoului solar vor fi aplicate la fel de ușor, precum și cu o vopsea obișnuită pe o suprafață.

În ciuda perspectivelor emergente, oamenii de știință au fost împărțiți în două tabere. Primii pledează pentru îmbunătățirea bateriilor de siliciu, care au devenit deja tradiționale, în timp ce celelalte pledează pentru crearea unor complet noi, mai eficiente. Așadar, Martin Green consideră că perovskitul poate fi utilizat ca adaos la bateriile de siliciu, prin combinarea siliconului cu perovskitul și, astfel, reducerea costului unui watt de electricitate produsă fără pierderi semnificative pentru industria siliciului. Dimpotrivă, Michael Gretzel este convins că noile dezvoltări sunt importante, iar costurile pentru creșterea eficienței noilor fotocelule vor plăti de multe ori.

Multe companii lucrează deja la implementarea comercială a produsului, deoarece, în ciuda faptului că posibilitățile perovskitei încep să fie recunoscute, experți de vârf în domeniul energiei solare și-au îndreptat deja atenția către viitor. Companiile australiene și turce au abordat împreună comercializarea panourilor solare perovskite și, conform prognozelor, până în 2018 vor fi prezentate pe piața mondială.

În ciuda optimismului unor companii, experiența arată că, de obicei, este nevoie de aproximativ zece ani pentru ca o nouă tehnologie să treacă de la laborator la piață, iar în acest timp, bateriile de siliciu pot depăși perovskitul. Gretzel, apropo, vinde o licență pentru tehnologie nouă companiilor care intenționează să urmeze modul tradițional de siliciu.

Concurența pe piața energiei solare este, de asemenea, ridicată și fiecare jucător nou se confruntă cu aceasta. Costul panourilor de siliciu este redus și, potrivit unor analiști, acesta poate scădea la 25 de centi pe 1 kW, ceea ce privește complet avantajele tehnologiei perovskitei.

Prezența unei cantități mici de plumb în pigment, care este toxic, rămâne o problemă. Se dezvoltă studii experimentale care vor releva cât de toxic este perovskitul. Merită să acordăm atenție la eliminarea bateriilor uzate, așa cum se întâmplă în cazul bateriilor de pornire. În principiu, staniu sau ceva similar poate fi folosit în locul plumbului.

Între timp, cercetătorii din Ohio, conduși de Leaming Dai, s-au ocupat de electrizarea mașinilor electrice folosind panouri solare perovskite. Ei au dezvoltat cea mai benefică combinație de panouri solare cu baterii electrice pentru mașini decât oricând.

Prin conectarea a patru baterii perovskite la o baterie de litiu, oamenii de știință au obținut până în prezent o eficiență de 7,8% în cea mai eficientă configurație, care a depășit soluțiile anterioare pentru combinarea celulelor solare cu supercapacitoare și baterii.

Panourile multistrat au crescut densitatea și stabilitatea energiei primite de la soare. Testele au arătat că trei straturi de perovskit sunt transformate, dacă se dorește, într-un singur film. Cu o suprafață unicelulară de cel mult 10 mm pătrați, cercetătorii au obținut o eficiență de 12,65% dintr-un convertor de dimensiuni monede, dar ținând cont de conversia și stocarea energiei, eficiența a fost de 7,8% în modul ciclic.

Astfel de sisteme, potrivit dezvoltatorilor, vor putea în viitor să nu încarce doar mașini electrice, ci vor fi, de asemenea, instalate sub forma unui film flexibil pe caroserii. Tehnologia pare ideală pentru vehiculele electrice.

Remarcabil este capacitatea perovskitei de a se elibera. Un om de știință de la Universitatea din Cambridge, Felix Deschler, a descoperit că perovskitul are o proprietate unică. Când lumina intră în material, energia fotonului nu se transformă doar în energie electrică, o parte din încărcare este transformată din nou în fotoni.

Dacă panoul poate reutiliza acești fotoni, atunci energia colectată va deveni și mai mare. Grupul lui Deshler a efectuat un experiment în care fasciculul laser a fost concentrat pe o secțiune perovskită de 0,5 microni și lumina a fost re-emisă în altă parte a eșantionului. Siliciul, de exemplu, nu are capacitatea de a transfera energie în sine și de a emite din nou.

Astfel, perspectivele perovskitei sunt enorme, și cine știe, este posibil să fie exact în momentul în care fiecare casă și fiecare mașină va fi echipată cu baterii perovskite, deoarece va deveni neprofitabil din punct de vedere economic și nu este recomandabil să poluăm mediul cu produse de ardere a combustibililor fosili.