Energia słoneczna od dawna uważana jest za najbardziej ekologiczne źródło energii elektrycznej, które zastąpi technologie wykorzystujące paliwa kopalne. Niestety konwersja energii słonecznej na prąd musi być zarówno wydajna, jak i niedroga, a to nadal bywa problemem.

Naukowcy z Wydziału Inżynierii Materiałów Energetycznych i Nauk o Powierzchni w Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) uważają, że znaleźli nową metodę wytwarzania tanich ogniw słonecznych o wysokiej wydajności.

Prof. Yabing Qi (na zdjęciu po prawej) i jego zespół z OIST we współpracy z Prof. Shengzhong Liu z Shaanxi Normal University w Chinach opracowali komórki fotowoltaiczne z materiałów i związków, które naśladują krystaliczną strukturę perowskitu – minerału występującego naturalnie w przyrodzie. Ich metoda została przybliżona w czasopiśmie „Nature Communications”.

W tym co Prof. Qi nazywa „złotym trójkątem” technologie solarne muszą spełniać trzy warunki, aby być warte komercjalizacji: ich wydajność konwersji światła słonecznego na energię elektryczną musi być wysoka, muszą być tanie w produkcji i muszą mieć długą żywotność. Obecnie większość komercyjnych ogniw słonecznych wytwarza się z krystalicznego krzemu, który ma stosunkowo wysoką wydajność, na poziomie około 22%. Chociaż krzem jest łatwo dostępny, to jego przetwarzanie jest skomplikowane, co zwiększa koszty produkcji, czyniąc końcowy produkt dosyć drogim.

Perowskity oferują tańsze rozwiązanie, jak mówi prof. Qi. Materiał ten został po raz pierwszy wykorzystany do produkcji ogniw słonecznych już w 2009 roku przez zespół badawczy prof. Tsutomu Miyasaki z Toin University w Jokohamie w Japonii. Od tego czasu szybko zyskuje na znaczeniu. „Badania nad perowskitowymi systemami PV są bardzo obiecujące: w ciągu zaledwie dziewięciu lat wydajność tych ogniw wzrosła z 3,8% do 23,3%. Inne technologie potrzebowały ponad 30 lat badań, aby osiągnąć ten sam poziom”, mówi profesor Qi.

Metoda wytwarzania, którą opracował on i jego zespół badawczy, pozwala na produkcję ogniw perowskitowych o wydajności porównywalnej z krystalicznymi ogniwami krzemowymi, ale jest potencjalnie znacznie od nich tańsza.

Aby wyprodukować ogniwa fotowoltaiczne, naukowcy pokryli przezroczyste przewodzące substraty filmami perowskitowymi, które bardzo wydajnie absorbują światło słoneczne. Zastosowano w tym celu technikę opartą na reakcji gaz-ciało stałe, w której podłoże najpierw pokryto warstwą trijodku wodoru ołowiu, do którego wprowadzono niewielką ilością jonów chloru i metyloaminy. Pozwala to na powtarzalne produkowanie ogniw, z których budować można nawet bardzo duże panele.

Opracowując tę metodę, naukowcy zdali sobie sprawę, że wykonanie warstwy perowskitu o grubości 1 mikrona znacznie zwiększy żywotność ogniwa słonecznego. „Ogniwa słoneczne prawie nie zmieniły się po 800 godzinach pracy”, mówi doktor Zonghao Liu (na zdjęciu po lewej), pracujący w grupie profesora Qi w OIST. Ponadto grubsza warstwa, oprócz zwiększenia stabilności nowego ogniwa ułatwia także jego produkcję, obniżając w ten sposób koszty produkcji. „Grubsza warstwa absorbera zapewnia dobrą powtarzalność w produkcji ogniw słonecznych, co jest kluczową cechą umożliwiającą masową produkcję w przemyśle”, mówi dr Liu.

Wielkim wyzwaniem, przed którym staje teraz zespół profesora Qi, jest zwiększenie rozmiarów nowo zaprojektowanego ogniwa słonecznego. Prototyp ma zaledwie 0,1 mm², a komercyjne ogniwa około 25 cm². Tutaj z pomocą przychodzi sam przemysł PV.

„Istnieje ogromna luka między odkryciami w laboratorium a rzeczywistością, a producenci systemów PV nie zawsze są gotowi do samodzielnego jej zapełnienia, dlatego naukowcy muszą wykonać jeszcze jeden niezbędny krok, by wyjść poza laboratorium i spotkać się z przemysłem w połowie drogi”, mówi Qi.

Aby wykonać ten krok, profesor Qi otrzymał dotację od Centrum Rozwoju Technologii i Innowacji OIST w ramach Programu Proof of Concept. Dzięki tym funduszom zespół zbudował działający model swoich nowych modułów perowskitowych. Składa się on z wielu ogniw słonecznych na podłożach o wielkości 5 cm × 5 cm i powierzchni aktywnej 12 cm², to znacznie więcej niż w przypadku prototypu, ale nadal mniej niż potrzebne jest do realnej komercjalizacji technologii. Chociaż proces zwiększania skali ogniwa obniżył ich wydajność z 20% do 15%, naukowcy przewidują, że w przyszłości będą mogli poprawić sposób produkcji, by uzyskać jeszcze lepsze parametry.

Źródło, foto: Okinawa Institute of Science and Technology

Artykuł stanowi utwór w rozumieniu Ustawy 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych. Wszelkie prawa autorskie przysługują swiatoze.pl. Dalsze rozpowszechnianie utworu możliwe tylko za zgodą redakcji.