Perowskity - czy czeka nas rewolucja energetyczna?

Czym jest perowskit?

Zanim przejdziemy do korzyści, które możemy dzięki niemu uzyskać w codziennym życiu, odpowiemy na pytanie, co kryje się pod tą nadal tajemniczo brzmiącą nazwą? Co to jest perowskit?

Otóż, perowskit jest minerałem występującym w przyrodzie, posiadającym charakterystyczny układ atomów na podstawie tytanianu wapnia. Jest świetnym pochłaniaczem światła, znacznie lepszym od tak popularnego krzemu, czy nawet arsenku galu. Idealnie nadaje się więc do produkcji m.in. paneli fotowoltaicznych.

Pierwsze perowskity zostały odnalezione już w 1838 roku, w górach Ural, a nazwane zostały na cześć słynnego, rosyjskiego mineraloga - L.A. Perowskiego. Z chemicznego punktu widzenia są one solami o ogólnym wzorze ABX3, co w skrócie odpowiada kationom metali i anionom tlenkowym (każdy związek odpowiadający tej formule nazywany jest perowskitem). Możemy wyróżnić zarówno te pochodzenia naturalnego, które występują w magmie i skałach, jak i laboratoryjnego, wytwarzane w procesie syntezy chemicznej.

Dlaczego perowskit jest taki ciekawy?

Sam, naturalny perowskit nie jest atrakcyjny pod względem wykorzystania ponieważ nie przewodzi prądu. Do tych posiadających najciekawsze własności zalicza się jednak perowskity hybrydowe, będące materiałami po części nieorganicznymi i organicznymi, które w naturze występują bardzo 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 pochłaniania światła (lepszej od wspomnianych już: krzemu i arsenku galu), możliwe jest nawet trzykrotnie zmniejszenie materiału zużytego do wyprodukowania ogniwa słonecznego. Badania nad zastosowaniem perowskitów trwają już przeszło od dekady i wielu naukowców uważa, że mają one dużą szansę na zastąpienie obecnych półprzewodników w ogniwach słonecznych. 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.

Do tego, w przeciwieństwie do ogniw krzemowych, mogą być bardziej elastyczne, lżejsze i częściowo transparentne. Ogniwa perowskitowe można nie tylko zainstalować na każdej, dostępnej powierzchni budynku, ale również dostosować do niej zarówno wymiary modułów jak i odpowiedni, pasujący kolor. Bardzo ważną kwestią jest również to, że są one znacznie tańsze w produkcji. Saule Technologies wskazuje wydajność ogniw słonecznych z wykorzystaniem perowskitów jako porównywalną z innymi wiodącymi technologiami fotowoltaicznymi, wynoszącymi obecnie około 20% (takimi jak krystaliczny krzem, CdTe i CIGS).

Kiedy zaczęto przeprowadzać badania nad wykorzystaniem specyficznych zdolności perowskitów?

Wiemy już czym są perowskity, ale dlaczego zaczęły w ostatnim czasie cieszyć się tak dużą popularnością? Pierwsze, znaczące badania nad wykorzystaniem zdolności tego minerału w ogniwach fotowoltaicznych dokonano w 2009 roku. Jednak zespół prowadzony przez Tsutomu Miyazakiego z Japonii, nie spowodował podniesienia sprawności tych urządzeń. Większym sukcesem okazała się za to próba naukowców z Oxfordu, którą kierował Henry Snaith, uzyskując sprawność generacji energii elektrycznej na poziomie 10%. A wszystko dzięki zastąpieniu perowskitu w postaci elektrolitu jego polimerem.

Następnie, dużym przełomem okazały się badania prowadzone przez polską fizyk dr Olgę Malinkiewicz. Wyeliminowała ona z procesu produkcji tlenek tytanu, który znacząco wpływał na koszty wytwarzanego materiału. Do tego wymagał on również wypiekania w temperaturze 500°C, 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 jest również to, że do produkcji końcowego materiału ogniwa, wykorzystuje się tanie materiały startowe. Natomiast sam materiał może być nadrukowany, czyli wytworzony w procesie mokrej chemii. Grubość warstwy perowskitów, którą można dzięki tej metodzie uzyskać wynosi ok. 300 nm i pochłania światło widzialne o długości fal z zakresu 300 - 800 nm.

W 2020 roku udało się opracować hybrydowe, perowskitowo-krzemowe ogniwo o sprawności ponad 29%. Naukowcy są zdania, że możliwe jest osiągnięcie granicy 35%.

Gdzie znajdą zastosowanie perowskity?

Praktyczne zastosowanie perowskitów, może być ograniczone jedynie naszą wyobraźnią. Największe znaczenie gospodarcze mają tylko niektóre odmiany zasobne w cer i niob. Wykorzystać je można od elektroniki użytkowej, przez przemysł zbrojeniowy, po budownictwo. Zastosowaniem technologii perowskitowej zainteresowane są różne sektory i branże przemysłu na całym świecie, w tym największe i najpopularniejsze marki. Mogą one znaleźć zastosowanie m.in. w tzw. wearables (akcesoria, gadżety, oraz inteligentna odzież), w smartfonach i tabletach (przedstawiono już pierwsze prototypy zasilacza do telefonów komórkowych). Również w przypadku tabletów, jego ekran nie będzie różnił się od stosowanych obecnie z tym, że samodzielnie doładuje baterię (dzięki takim rozwiązaniom, nie będzie już konieczne korzystanie z ładowarek).

Najczęściej jednak perowskity badane są pod kątem zastosowania ich do produkcji tanich 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 perowskitowych modułów fotowoltaicznych z zastosowaniem druku atramentowego. Jest ona również współzałożycielką spółki Saule Technologies, zajmującej się komercjalizacją wynalazku (obecnie pełni funkcję Chief Technology Officer w Saule). Jej zdaniem najpierw należy skupić się na zastosowaniu ogniw perowskitowych w urządzeniach elektroniki użytkowej, przez co wkroczy ona w nasze codzienne życie. Następnie zaś moduły o większych rozmiarach i parametrach znajdą zastosowanie w budownictwie i przemyśle.

W 2021 roku, Saule Technologies pokazało projekt elektronicznych etykiet cenowych, zasilanych ogniwami z perowskitu. Rozwiązanie o nazwie PESL (Perovskite Electronic Shelf Label), jest w stanie wykorzystywać nawet sztuczne światło lub światło o niskim natężeniu - idealnie nadaje się więc do hal sprzedażowych i innych tego typu miejsc.

Kiedy perowskity trafią do użytku i dlaczego to tak długo trwa?

Duży wpływ na to mają na pewno kosztowne badania. Są one intensywnie prowadzone zarówno przez Saule Technologies (od 2014 roku), jak i jego sporą konkurencję. Dużym problemem jest przede wszystkim to, że perowskity nie są tak stabilne jak krzem, co stanowi dla naukowców główne wyzwanie. Również drugim minusem, który dotyczy wszystkich nowych technologii jest to, że firmy na samym początku podchodzą do nich bardzo ostrożnie, przez co komercyjne ogniwa perowskitowe dopiero zaczynają być produkowane na dużą skalę. Jednym z najbardziej znanych na świecie producentów perowskitów jest Oxford PV, będący odnogą Uniwersytetu Oksfordzkiego (posiada on pilotażową fabrykę w Niemczech). Jednak nadal, na rozwiązania krzemowe przeznaczane są znacznie większe fundusze (rynek ten wart jest 30 mld dolarów), a w produkcji ogniw dla branży solarnej wygrywają Chińczycy, oferujący tanie produkty.

Dzięki pozyskaniu kilka lat temu przez polska firmę Saule Technologies japońskiego inwestora Hideo Sawadę, wsparciu finansowemu firmy Columbus Energy oraz uczestniczeniu w licznych projektach badawczych (wartość uzyskanych w ten sposób grantów to 20 mln euro), może ona w pełni skupić się na podstawowym celu jakim jest udoskonalenie i uczynienie dostępniejszą technologię, która ma w przyszłości zrewolucjonizować energetykę słoneczną. Duży popyt na fotowoltaikę, która jest w ostatnim czasie najdynamiczniej rozwijającą się technologią OZE (zwłaszcza teraz gdy ceny prądu stale rosną) sprawia, że tańsze i efektywniejsze rozwiązania są bardzo pożądane. Również sporo mówi się w ostatnim czasie o szybach fotowoltaicznych, które wytwarzane są z wykorzystaniem technologii kropki kwantowej opatentowanej przez polską firmę ML System z Zaczernia. Co ważne, transparentne szyby fotowoltaiczne umożliwiają nie tylko wytwarzanie energii elektrycznej, ale mogą również emitować światło w każdym dowolnym kolorze i chronić nas przed szkodliwym promieniowaniem UV.

Natomiast druk atramentowy do produkcji perowskitowych modułów fotowoltaicznych, pozwala na dokładne dostosowanie ogniwa słonecznego, do różnych powierzchni. Saule Technologies wraz z najlepszymi uniwersytetami z Wielkiej Brytanii, Niemiec, Włoch, Hiszpanii i Izraela już od kilku lat prowadził zaawansowane badania nad zastosowaniem perowskitu, na potrzeby pozyskiwania energii słonecznej. Pierwsze testy nad wykorzystaniem perowskitowych modułów fotowoltaicznych miały miejsce na 93 - metrowym domku jednorodzinnym koło Poznania. Wówczas to, cała instalacja wytworzyła więcej energii niż średnio potrzebuje jej w ciągu roku czteroosobowa rodzina. Nie spodziewano się, aż tak pozytywnych rezultatów, a domy produkujące nadwyżkę w rocznym bilansie energetycznym (plus energy building - PEB), to na pewno następny krok w ewolucji całego budownictwa. Saule Technologie wiele nadziei pokłada także w kontraktach na Bliskim Wschodzie. Dlaczego? Ponieważ w całym regionie inwestuje się duże pieniądze w OZE, co przekłada się na rozwój najnowszych technologii, związanych z odnawialnymi źródłami energii.

Perowskity - fotowoltaika zrewolucjowana dzięki technologi z Polski

Jak już wiemy pionierem rozwoju tej technologii w Polsce jest Saule Technologies, która chce stworzoną przez siebie folię fotowoltaiczną, nanosić na dowolne powierzchnie, zachowując przy tym jej wydajność. Mogą to być m.in. karoserie samochodów, kadłuby statków i samolotów, elektronika, ubrania, ściany i dachy budynków, a także okna (ogniwa zostały też przetestowane w symulatorach przestrzeni kosmicznej i uzyskały dobre wyniki). Rozwiązanie takie na początku stosowane ma być w formie zadrukowanej folii, natomiast z czasem taki druk może być nanoszony bezpośrednio na wybrany obiekt lub przedmiot. Perowskity mogą być także wykorzystane do zespolenia ogniw fotowoltaicznych z szybami, przez co dachówki i okna instalowane w budynkach, będą pełniły rolę paneli dostarczających energię.

Minerały można również nanosić na całe elewacje hal produkcyjnych i innych budynków, dzięki czemu ściany produkować będą energię elektryczną. Przy czym będzie to możliwe nawet w przypadku, gdy promienie słoneczne nie będą bezpośrednio padać na jej powierzchnię. Jak widać, za sprawą perowskitów, budynki mogą być energetycznie samowystarczalne. Takim rozwiązaniem zainteresowanych jest coraz więcej firm deweloperskich. Ponieważ przyszłością są odnawialne źródła energii, a nie energetyka węglowa, gdzie w Polsce, aż 76 proc. prądu, powstaje w oparciu o spalanie tego właśnie paliwa kopalnego. Już teraz jednak, zarówno firmy, jak i odbiorcy indywidualni mogą skorzystać z wielu form dofinansowania do fotowoltaiki.

Jednym z pierwszych sukcesów Saule Technologies, w całości tworzącej nową technologię opartą na perowskitach, było podpisanie kontraktu ze Skanską. Ten szwedzki deweloper kupił licencję na rozwój technologii Saule w budownictwie komercyjnym, na rynku skandynawskim, Stanach Zjednoczonych, a także w wybranych krajach europejskich. W wydanym wtedy wspólnie komunikacie stwierdzono, że "Stabilność i wodoodporność modułów czyni je idealnymi dla branży budowlanej". Moduły można dowolnie integrować ze wszystkimi budynkami, jak i montować w dowolnym miejscu, dostosowując kolor, kształt, a także rozmiar, do każdego obiektu budowlanego.

Niedługo potem pierwszy panel opuścił laboratorium i trafił na fasadę biurowca Spark. Szwedzka firma ma w planach dalsze pokrywanie biurowców półprzezroczystymi ogniwami fotowoltaicznymi, opartymi o perowskity. Dzięki temu zabiegowi, fasada budynku stała się źródłem energii elektrycznej wytwarzanej ze słońca, nawet przy rozproszonym świetle. Również w tym samym budynku, Skanska stworzyła specjalną aplikację, ułatwiającą poruszanie się bez tradycyjnych kart dostępu. Celem tego pilotażowego programu było wypracowanie najlepszych rozwiązań pozwalających na integrację paneli z fasadą budynku bez szkody dla procesu projektowego i budowlanego. Przy czym, testy te potwierdziły pełną integralność ogniw z fasadą.

W Polsce uruchomiono pierwszą na świecie fabrykę perowskitów

21 maja 2021 roku firma Saule Technologies oficjalnie uruchomiła pierwszą na świecie pilotażową linię produkcyjną perowskitów we Wrocławiu. Dr Olga Malinkiewicz, oznajmiła wówczas:

Jestem szczęśliwa i dumna, że wieloletni etap badań, testów i wytężonej pracy dziś wchodzi w fazę realizacji. Wierzę, że perowskitowe ogniwa fotowoltaiczne pomogą zmienić świat na lepsze. To nadzieja na tanią zieloną energię dla każdego i transformację energetyczną każdej rzeczy, która potrzebuje energii.

Jak można dowiedzieć się z informacji udostępnionych na stronie producenta, początkowa wydajność produktu wyniesie około 10 proc. (naukowcy spodziewają się, że pierwotnie okres żywotności ogniwa wyniesie kilka lat, z czasem jednak ulegnie wydłużeniu). Natomiast całkowita cena paneli słonecznych z perowskitów będzie zależała od wymagań związanych z aplikacją materiału na danej powierzchni i może ona wynieść 50 euro/m² do 2022 roku. Jak przyznaje sama Malinkiewicz, popyt na ogniwa jest ogromny i już teraz przekracza możliwości produkcyjne fabryki we Wrocławiu, które na ten moment szacuje się na 40 tys. m² rocznie (pierwsze zamówienia komercyjne napływają głównie z branży budowlanej). Obecnie również firma Saule Technologies przygotowuje się do debiutu na Giełdzie Papierów Wartościowych oraz rozważa budowę kolejnych fabryk w Europie lub Japonii.