Czym są perowskity i jak działają?

Perowskity, o których w ostatnim czasie bardzo często się mówi, to materiały świetnie absorbujące światło. Pozwalają one na przekształcenie energii słonecznej w prąd w ogniwie fotowoltaicznym. Część naukowców twierdzi, że perowskity mogą zrewolucjonizować fotowoltaikę, inni z kolei są zdania, że jest to wydarzenie sezonu. Teraz jednak wiadomo, że mogą one znacząco zmienić życie ludzi. Czym są perowskity? Gdzie znajdują swoje zastosowanie?

Przeczytaj także:

Czym są perowskity?

Perowskity są minerałami, które występują w przyrodzie i posiadają charakterystyczny układ atomów na podstawie tytanianu wapnia. Określane one są jako doskonały pochłaniacz światła. Cechują się pod tym względem znacznie lepszą zdolnością niż na przykład krzem czy też arsenek galu. Dlatego też naukowcy zaczęli zastanawiać się nad ich wykorzystaniem w fotowoltaice, do produkcji ogniw słonecznych.

Pierwsze perowskity odnaleziono już w 1838 roku, w górach Ural. Swoją nazwę zawdzięczają ich rosyjskiemu wynalazcy – mineralogowi L.A. Perowskiemu. Z chemicznego punktu widzenia są one solami o ogólnym wzorze ABX3, co odpowiada kationom metali i anionom tlenkowym. Co istotne, każdy związek odpowiadający tej formule nazywany jest perowskitem. Dodatkowo można wyróżnić perowskity pochodzenia organicznego i nieorganicznego. Pierwsze z nich występują w skałach i magmach, z drugie z kolei wytwarza się poprzez syntezę chemiczną.

Dlaczego perowskity mogą odmienić fotowoltaikę?

Naturalny perowskit, pod względem zastosowania, nie jest atrakcyjnym materiałem, ponieważ nie przewodzi on prądu. Do najciekawszych jednak zalicza się rodzaj hybrydowy perowskitów, które są po części materiałami nieorganicznymi i organicznymi, występującymi w naturze niezwykle rzadko. W laboratorium, dzięki zmianie w strukturze, można wytworzyć perowskit, który będzie posiadać nowe właściwości, takie jak przewodzenie prądu. To właśnie tak zmodyfikowane minerały, stanowią doskonałą alternatywę dla krzemu, stosowanego do tej pory jako półprzewodnik w produkcji ogniw fotowoltaicznych.

Dzięki zdolności do pochłaniania światła, możliwe jest nawet trzykrotne zmniejszenie materiału niezbędnego do produkcji ogniw fotowoltaicznych. Badania nad zastosowaniem perowskitów trwają już od ponad dekady i wielu naukowców uważa, że mają one szansę zastąpić obecnie wykorzystywane półprzewodniki krzemowe. Perowskity mają sprawność konwersji energii na poziomie 18 – 22%, czyli podobną do krzemu, jednak mogą być stosowane w ultracienkich warstwach, co pozwala na znaczną oszczędność materiału zużytego do produkcji ogniw fotowoltaicznych.

Ponadto, w przeciwieństwie do ogniw krzemowych, mogą one być bardziej elastyczne, częściowo transparentne i zdecydowanie lżejsze. Ogniwa perowskitowe można zainstalować nie tylko na każdej powierzchni budynku, ale także dostosować do niej wymiary modułów i odpowiedni kolor. Bardzo istotną kwestią jest również to, że są one zdecydowanie tańsze w produkcji. Firma Saule Technologies wskazuje wydajność ogniw słonecznych z wykorzystaniem perowskitów jako porównywalną z innymi wiodącymi technologiami fotowoltaicznymi, wynoszącymi obecnie około 20%.

Kiedy zaczęto prowadzić badania nad wykorzystaniem ogniw fotowoltaicznych z perowskitów?

Dlaczego wykorzystanie w fotowoltaice ogniw perowskitowych zaczęło cieszyć się tak dużą popularnością w ostatnich latach? Warto tutaj opowiedzieć kwestię prowadzonych badań. Te zaczęły się w 2009 roku, kiedy to zespół pod przewodnictwem Tsutomu Miyazakiego z Japonii wykorzystał perowskity w ogniwach słonecznych. Niestety, nie spowodowało to wtedy podniesienia wydajności działania paneli. Znacznie większym sukcesem okazała się próba naukowców z Oxfordu, którymi kierował Henry Seith. Test przeprowadzony przez jego zespół wskazał sprawność generacji energii elektrycznej na poziomie 10%.

Ogromny przełom nastąpił w kolejnych latach. Badania prowadzone przez polską fizyk dr Olgę Malinkiewicz były eksperymentalne i polegały na wykluczeniu z procesu produkcji tlenku tytanu, który w dużym stopniu wpływał na koszty wytwarzanego materiału. Do tego wymagał on wypiekania w temperaturze 500 stopni Celsjusza. Dlatego też jedynym podłożem na którym można było nakładać perowskity było szkło. Polce udało się obejść ten problem, przez co, cały proces zachodził w niższych temperaturach, a efektem końcowym okazał się perowskit w płynie, który można nanosić jak farbę, na dowolnym podłożu.

Dużą zaletą tego typu perowskitu jest to, że do końcowej produkcji wykorzystuje się bardzo tanie materiały startowe. Z kolei sam materiał może być nadrukowany, czyli stworzony w procesie mokrej chemii. Grubość warstwy perowskitów wynosi około 300 nm i pochłania widzialne z zakresu fal o długości 300 – 800 nm. W 2020 roku udało się stworzyć panele słoneczne hybrydowe, które produkowane są z ogniw perowskitowo-krzemowych o sprawności ponad 29%. Według naukowców, można osiągnąć sprawność nawet w granicach 35%.

Jakie zastosowanie mają perowskity?

Praktyczne zastosowanie perowskitów może ograniczać jedynie ludzka wyobraźnia. Największe znaczenie gospodarcze mają tylko niektóre odmiany zasobne w niob i cer. Wykorzystać je można między innymi do elektroniki użytkowej, a także w przemyśle zbrojeniowym i budownictwie. Zastosowaniem technologii perowskitowej zainteresowane są różne branże przemysłu na całym świecie. Mogą one znaleźć swoje zastosowanie w wearables, smartfonach i tabletach.

Najczęściej jednak perowskity badane są pod kątem ich wykorzystania do produkcji ogniw słonecznych. Właśnie za pracę, nad ich wykorzystaniem w fotowoltaice, główną nagrodę w prestiżowym konkursie naukowym Photonics21 dostała wspomniana już dr Olga Malinkiewicz. Opracowała ona metodę pozyskiwania modułów fotowoltaicznych na bazie perowskitów z zastosowaniem druku atramentowego. Jest ona także współzałożycielką firmy, która jako pierwsza na świecie uruchomiła pilotażową linie produkcyjną perowskitów. Fabryka Saule Technologies opracowała nawet projekt elektronicznych etykiet cenowych, zasilanych ogniwami perowskitowymi. Rozwiązanie o nazwie Perovskite Electronic Shelf Label może wykorzystywać sztuczne światło, jak i te o niskim natężeniu. Dzięki temu takie etykiety będą świetnym rozwiązaniem w halach sprzedażowych i innych tego typu miejscach.