Panele słoneczne bez krzemu przyszłością fotowoltaiki

Panele słoneczne bez krzemu staną się technologią wykorzystywaną na masową skalę przez firmy chcące optymalizacji wydajności.

Energia słoneczna zyskuje na popularności jako jedno z kluczowych źródeł odnawialnej energii, szczególnie w Stanach Zjednoczonych, gdzie około 7% gospodarstw domowych korzysta z paneli fotowoltaicznych. Pomimo rosnącego zainteresowania, proces produkcji paneli słonecznych wciąż pozostaje kosztowny i energochłonny, głównie z powodu wykorzystania krzemu.

Badania zespołu naukowców pod kierownictwem Juana-Pablo Correa-Baeny z Georgia Institute of Technology mogą jednak zmienić obecny krajobraz dzięki zastosowaniu perowskitów jako alternatywy dla krzemu.

Krzem od dziesięcioleci pozostaje standardowym materiałem w produkcji ogniw fotowoltaicznych, głównie ze względu na jego wysoką wydajność i trwałość. Ogniwa krzemowe mogą działać przez około 20-25 lat, co czyni je atrakcyjnym rozwiązaniem obecnym rynku. Jednak ich produkcja wymaga dużych nakładów energetycznych. Większość światowych zasobów krzemu wykorzystywanego w panelach fotowoltaicznych pochodzi z Chin, co prowadzi do silnej zależności od zagranicznych dostaw. Obecna polityka Stanów Zjednoczonych konentruje się na uniezależnieniu w jak najwyższym stopniu od importu produktów z zza granicy głównie z Chin, z którymi otwarcie konkuruje.

Perowskity to minerały o unikalnej strukturze krystalicznej, które od kilku lat przyciągają uwagę badaczy jako potencjalny zamiennik krzemu. Materiał ten składa się z jodu, ołowiu oraz organicznych związków chemicznych. Główną zaletą perowskitów jest ich porównywalna wydajność do krzemu przy znacznie niższych kosztach produkcji. Dodatkowo, ogniwa perowskitowe można wytwarzać w procesie niskotemperaturowym, co eliminuje konieczność budowy kosztownych fabryk.

Jednak głównym problemem, który hamował rozwój danej technologii, była niska trwałość perowskitów. Standardowe ogniwa perowskitowe wytrzymują zaledwie rok w porównaniu do 20 lat w przypadku krzemu. Szczególnie wysokie temperatury powodują szybkie rozkładanie się materiału, co ogranicza jego praktyczne zastosowanie.

Zespół Correa-Baeny opracowa swoistą metodę stabilizacji ogniw perowskitowych przy użyciu technologii infiltracji w fazie gazowej (vapor-phase infiltration). Proces polega na wystawieniu perowskitu na działanie gazu tytanowego w lekkiej próżni, co prowadzi do wbudowania tytanu w górną warstwę ogniwa.

Tytan działa jak bariera ochronna, zwiększając odporność materiału na wysokie temperatury i opóźniając proces degradacji. Dzięki temu ogniwa perowskitowe mogą działać znacznie dłużej, otwierając drogę do ich zastosowania w komercyjnych systemach fotowoltaicznych. Technologia ta jest obecnie objęta ochroną patentową i może wkrótce stać się fundamentem nowej generacji paneli słonecznych.

Perowskitowe ogniwa słoneczne mają kilka istotnych zalet w porównaniu do krzemowych. Głównym powodem są niższe koszty produkcji, lekkość materiału oraz możliwość stosowania ich w trudniej dostępnych miejscach niż w przypadku tradycyjnych paneli.

Ponadto, dzięki swojej prostszej budowie, perowskity mogą być produkowane lokalnie, co zmniejsza zależność od międzynarodowych łańcuchów dostaw i wspiera rozwój krajowej produkcji energii odnawialnej.

Stabilne ogniwa perowskitowe mogą odegrać kluczową rolę w przyszłości energetyki odnawialnej. Podobne badania prowadzone są na całym świecie, m.in. przez University of Oxford, który opracował hybrydowe ogniwa łączące krzem i perowskity, osiągając rekordową sprawność na poziomie 29,5%. Natomiast amerykańska firma Swift Solar pracuje nad elastycznymi panelami perowskitowymi, które mogą znaleźć zastosowanie w budownictwie i motoryzacji.

Pomimo obiecujących wyników, technologia perowskitowa wciąż wymaga dalszych badań. Główne wyzwania to poprawa trwałości ogniw, zwiększenie efektywności oraz opracowanie przyjaznych dla środowiska alternatyw dla ołowiu, który jest toksycznym składnikiem perowskitów.

Jednak szybki rozwój technologii, wspierany przez globalne inwestycje w badania nad energią odnawialną, sugeruje, że perowskity mogą stać się przełomowym rozwiązaniem w ciągu najbliższych kilku lat.

Prace zespołu Juana-Pablo Correa-Baeny nad stabilizacją ogniw perowskitowych mogą przyczynić się do rewolucji w energetyce słonecznej. Nowa technologia oferuje tańszą, bardziej elastyczną i ekologiczną alternatywę dla tradycyjnych paneli krzemowych.

Szymon Ślubowski