Perowskity i nowe technologie PV

Podobnie jak krzem, perowskity (PSC), czyli minerały o strukturze chemicznej podobnej do tytanianu (IV) wapnia CaTiO3, pochłaniają światło produkując energię elektryczną. Perowskity to liczna grupa materiałów o strukturze krystalicznej, które można opisać wzorem ABX3. W tych związkach chemicznych kation, oznaczony literą A znajduje się geometrycznie w centrum sześcianu. Pośrodku każdej ściany znajduje się anion oznaczony w tym wzorze jako X, natomiast w narożach znajdują się centra koordynacji – oznaczane we wzorze literą B. Perwoskity w badaniach wykazały wysoki potencjał absorbujący energię słoneczną w porównaniu do tradycyjnych ogniw krzemowych, stąd duże nadzieje firm zajmujących się rozwojem technologii PV w zastosowaniu tego materiału w ogniwach fotowoltaicznych na skalę przemysłową.

Technologia fotowoltaicznych ogniw perowskitowych wykazuje wiele podobieństw z innymi ogniwami fotowoltaicznymi zaliczanymi do trzeciej generacji. Pod względem konstrukcji i procesów zachodzących w ogniwach perowskity są zbliżone do ogniw dye-sensitized solar cells – DSSC oraz ogniw OSC lub OPV, w których wykorzystuje się materiały organiczne służące do absorpcji promieniowania i transportu ładunków.

Zaletą produkcji perowskitów jest to, że PSC mogą być stosowane zarówno w formie jednozłączowej, jak i tandemowej (wielozłączowej). W formie jednozłączowej perowskity mogą osiągnąć sprawność nawet do 25,5%. Zwiększenie efektywności do 29,15% i wyższej wymaga zastosowania ogniw tandemowych. Tandem to rodzaj ogniwa wielofunkcyjnego, łączącego PSC z warstwami krzemu. Perowskity użyte są w nich jako dodatkowa warstwa absorpcyjna w połączeniu ze standardowymi ogniwami c-Si lub cienkowarstwowymi materiałami, takimi jak spotykane w modułach fotowoltaicznych CIGS (Copper Indium Gallium Selenide), czy CdTe wytwarzane z tellurku kadmu.

Perowskity – elastyczne i łatwe w produkcji

 

Ogniwa perowskitowe w postaci bardzo cienkiej, przezroczystej folii można zespolić ze szkłem okiennym. W przypadku takich wieżowców nieco mniejsza przepuszczalność światła może być nawet zaletą (Depositphotos)

Żaden jak dotąd materiał do produkcji paneli nie zdołał zastąpić krzemu. Perowskity, które są znacznie tańsze i można je przerobić na elastyczne moduły, mogą to zmienić. Perowskity to materiały syntetyczne, niedrogie i stosunkowo proste w produkcji nawet w dużych ilościach. Materiały te naniesione na elastyczną podstawę umożliwiają wytwarzanie cienkowarstwowych, wydajnych ogniw słonecznych, które są lekkie i można je zginać.

Niektóre firmy pracujące nad komercjalizacją perowskitów, jak np. Saule Technologies z Warszawy, starają się całkowicie porzucić krzem na rzecz tego nowego materiału. Firma, założona w 2014 roku, opracowała proces drukowania do produkcji ogniw słonecznych z perowskitu i elastycznego plastiku. Waga panelu zawierającego baterię wyprodukowaną przez Saule wynosi tylko około jednej dziesiątej wagi panelu krzemowego o tym samym rozmiarze. W maju 2021 Saule otworzył fabrykę, która może produkować około 40 000 metrów kwadratowych paneli rocznie. Ten potencjał wytwórczy wystarczy do produkcji paneli generujących około 10 megawatów mocy, ale należy pamiętać, że niektóre fabryki produkujące obecnie ogniwa krzemowe zapewniają wytwarzanie PV o mocy setki razy większej.

Perowskity mają potencjał, aby osiągnąć wysoką wydajność, jednak większość działających obecnie ogniw perowskitowych jest niewielkich rozmiarów – ma mniej niż cal szerokości. Problemy ze skalowalnością perowskitów utrudniają osiągnięcie potencjalnie wyższych wydajności w rzeczywistych instalacjach. Obecnie panele Saule, które mają metr szerokości, osiągają wydajność około 10%. Pozostają zatem w tyle za panelami krzemowymi o podobnych rozmiarach, które zazwyczaj uzyskują wydajność około 20%. Zaletą jest jednak ich elastyczność.

Saule wprowadza na rynek produkty cienkowarstwowe do bardziej niszowych zastosowań, jednak inne firmy mają nadzieję na dołączenie tej technologii do dobrze znanych i działających rozwiązań bazujących na krzemie.

Oxford PV z siedzibą w Wielkiej Brytanii wprowadza perowskity do tandemowych, połączonych ogniw perowskitowo-krzemowych. Ponieważ krzem pochłania światło w kierunku czerwonego końca widma widzialnego, a perowskity można dostroić do pochłaniania różnych długości fal, powlekanie warstwą perowskitu wierzchu ogniw krzemowych umożliwia tak stworzonym ogniwom osiągnięcie wyższej wydajności, niż tych bazującym wyłącznie na krzemie.
Tandemowe ogniwa Oxford PV są jednak ciężkie i sztywne, podobnie jak ma to miejsce w przypadku ogniw zawierających tylko krzem. Jednak ponieważ mają ten sam rozmiar i kształt, nowe ogniwa można łatwo łączyć w panele przeznaczone do działania na dachu lub na farmach słonecznych. Dla montażysty instalacja tradycyjnego panelu krzemowego, czy wyposażonego w dodatkowe warstwy perowskitowe będzie technicznie tą samą czynnością, przy czym moc PV z perowskitem będzie znacząco wyższa.

Oxford PV koncentruje się na obniżeniu uśrednionego kosztu wyprodukowania energii elektrycznej, wskaźnika, który uwzględnia koszty instalacji systemu i eksploatacji przez cały okres inwestycji. Podczas gdy nakładanie warstw perowskitów na krzem zwiększa koszty produkcji, uśredniony koszt tak wytworzonego ogniwa powinien z czasem spadać poniżej kosztu PV opartych w całości na krzemie, ponieważ nowe ogniwa są bardziej wydajne. W ciągu ostatnich kilku lat Oksford ustanowił kilka światowych rekordów wydajności dla tego typu ogniw osiągając ostatnio aż 29,5% wydajności w warunkach laboratoryjnych.

Microquanta Semiconductor, chińska firma z siedzibą w Hangzhou produkująca perowskity, również pragnie podbić rynek nowymi rozwiązaniami w obszarze ogniw słonecznych. Firma produkuje panele ze sztywnych, przeszklonych ogniw wykonanych z perowskitów. Pilotażowa fabryka Microquanta została otwarta w 2020 roku i do końca tego roku powinna osiągnąć 100 megawatów mocy produkowanych paneli. Firma posiada panele demonstracyjne zainstalowane na kilku budynkach i farmach fotowoltaicznych w całych Chinach

Stabilność ogniw perowskitowych

Stabilność działania perowskitów poprawiła się w ciągu ostatnich kilku lat. Jednak większość obecnie instalowanych ogniw krzemowych ma gwarancję wyższą niż panele PSC, bo aż około 25 lat. Wartość ta może być jeszcze przez dłuższy czas nie do osiągnięcia dla perowskitów. PSC są szczególnie wrażliwe na działanie tlenu i wilgoci, które mogą zakłócać stabilność wiązania w krysztale, uniemożliwiając efektywne poruszanie się elektronów przez materiał. Naukowcy pracują nad wydłużeniem żywotności perowskitów, zarówno poprzez opracowanie mniej reaktywnych receptur PSC, jak i znalezienie lepszych sposobów ich łączenia.

Obecnie, szacowanie długoterminowej wydajności ogniw słonecznych odbywa się za pomocą procedury przyspieszonych testów. W procedurze tej, ogniwa lub panele poddawane są stres testom poprzez umieszczenie ich w ekstremalnych warunkach, co pozwala symulować przyspieszone zużycie. Przejście pełnej serii testów oznacza zwykle, że krzemowy panel słoneczny przetrwa co najmniej 25 lat, chociaż inżynierowie nie mogą być stuprocentowo pewni, że ta zależność znana dla paneli krzemowych jest prawdziwa także dla nowych materiałów, takich jak perowskity.
Aby poprawić stabilność swoich produktów Saule wprowadził zmiany w metalowych stykach w ogniwie, a także w warstwie perowskitu. Pierwsza generacja ogniw perowskitowych w osłonie z tworzywa sztucznego firmy Saule będzie miała co najmniej 10-letnią gwarancję zachowania wydajności.

PV zintegrowane z budynkiem - technologia BIPV

 

Panele słoneczne zbudowane z ogniw krzemowych mogą zastępować tradycyjne pokrycia dachowe, tworząc tzw. dach solarny (Depositphotos)

Jednym z najbardziej oczywistych obszarów zastosowań ogniw perowskitowych jest fotowoltaika nabudynkowa czyli BIPV (building integrated photovoltaics). Fotowoltaika zintegrowana z budynkiem płynnie wtapia się w architekturę obiektu w postaci dachów, zadaszeń, ścian osłonowych, a także fasad i systemów nasłoneczniających – świetlików. W przeciwieństwie do tradycyjnych paneli fotowoltaicznych, BIPV może być bardziej atrakcyjny pod względem estetycznym. Panele BIPV stanowią integralną część budynku pełniąc nie tylko funkcję dostarczania energii, ale mogą stanowić część izolacyjną lub dekoracyjną budynku.

Obecnie istnieje kilka typów produktów BIPV:

• Panele słoneczne z krzemu krystalicznego;
• Moduły fotowoltaiczne z amorficznego krzemu krystalicznego cienkowarstwowego;
• Ogniwa cienkowarstwowe na bazie CIGS (Copper Indium Gallium Selenide) oparte na elastycznych modułach laminowanych lub ogniwa CIGS montowane bezpośrednio na podłożu BIPV pozwalają inwestorom na oszczędności, poprzez połączenie funkcji materiałów budowlanych z elementami instalacji PV.

Technologia BIPV zapewnia następujące korzyści:

• zwiększona efektywność energetyczna;
• czysta energia pochodząca ze słońca i zerowy ślad węglowy;
• zmniejszone koszty obsługi i utrzymania budynku.

Do wad tych rozwiązań należy niższa efektywność w porównaniu do tradycyjnych rozwiązań PV, jeśli uwzględniamy tu zajmowana powierzchnię. Wynika ona z ich niższej sprawności w przekształcaniu energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną.

Kłopotliwa będzie również wymiana uszkodzonych ogniw, bo część instalacji będzie trudno dostępna dla monterów. Rozwiązanie może być nieopłacalne w przypadku istniejących budynków, w których BIPV dostosować trzeba do już obecnej architektury. Niewątpliwie dużo łatwiej jest wprowadzić te rozwiązania do planów zupełnie nowych obiektów.
Dostępne są także szyby fotowoltaiczne. Instalowane są jako materiały budowlane i działają jak urządzenie generujące energię, wpuszczając naturalne światło do wnętrza pomieszczeń, podobnie jak ma to miejsce w przypadku tradycyjnych szyb. Ogniwa fotowoltaiczne wbudowane w szklaną powierzchnię okien stosowane są już od dawna. Problem z ich praktycznym zastosowaniem, między innymi w polskich warunkach klimatycznych, polega na tym, że część światła słonecznego dostarczanego do wnętrza pomieszczeń zabierana jest na produkcję energii, co powoduje spadek ilości światła w pomieszczeniach.

Fotowoltaiczne słoneczne ekrany akustyczne (PVNB)

Kolejnym z zastosowań rozwiązań cienkowarstwowych, w tym także perowskitów, może być budowa paneli PV połączonych z funkcją dźwiękochłonną czyli PVNB – Photovoltaic Noise Barriers. Hałas drogowy jest problemem mieszkańców m.in. dużych aglomeracji miejskich. Aby go rozwiązać w 48 stanach USA zbudowało prawie 3000 mil barier dźwiękowych z komponentów zawierających ogniwa fotowoltaiczne. Departamentowi Energii Stanów Zjednoczonych udało się w ten sposób połączyć redukcję hałasu ze zrównoważonym wytwarzaniem energii.
Biorąc pod uwagę powszechne stosowanie ekranów akustycznych w USA, potencjał wytwarzania z nich energii słonecznej prawdopodobnie wyniesie około 400 gigawatogodzin (GWh) rocznie. Odpowiada to w przybliżeniu rocznemu zużyciu energii elektrycznej przez 37 000 domów.

Marek Rzewuski