‚‚Uradi sam! Uz naš Perovskit sprej, za samo 5 minuta pretvorite bilo koju površinu iz vašeg domaćinstva u solarni panel!’’ – zvuči kao reklama koju bismo zapazili na jednom od oblakodera između kojih sumanutom brzinom, u svojoj letelici, prolazi glavni junak popularnog futurističkog filma, trudeći se da pobegne od negativaca.
Moguće je da vam se ova izmišljena reklama čini kao nešto iz domena naučne fantastike, međutim, sudeći po brzini kojom se razvija solarna tehnologija, solarne ćelije u spreju ili u kertridžima štampača, možda nisu tako daleka budućnost.
U stvarnom svetu, gde je negativac antropogena emisija gasova sa efektom staklene bašte, u toku je globalna trka za pronalaženjem novih načina za povećanje efikasnosti solarnih ćelija.
Poslednjih nekoliko godina svedočimo neverovatnom padu cena solarnih panela, koji je učinio da energija dobijena od Sunca sada bude cenovno konkurentna onoj koja se dobija sagorevanjem uglja. Međutim, napreci na polju efikasnosti, iako značajni, nisu ispratili taj tempo.
Kako bi solarna enegija u budućnosti postala jedan od dominantih izvora energije neophodno je da se poveća i efikasnost, i zato inženjeri i naučnici širom sveta rade na tom zadatku.
Veoma uzbudljive vesti u poslednje vreme stižu nam od istraživača i kompanija koje koriste materijal pod nazivom perovskit, poluprovodnik čijom bi primenom efikasnost solarnih panela mogla da bude gotovo duplo veća nego što je danas.
Više o tome, u nastavku teksta.
Struktura minerala kao inspiracija
Kalcijum titanat (CaTiO3) jeste mineral koji je 1839. otkrio nemački mineralog, Gustav Rouz, na Uralu, imenovavši ga po ruskom kolegi, Lavu Aleksejeviču Perovskom, perovskit. Danas, perovskitima se nazivaju sva jedinjenja koja imaju istu kristalnu strukturu kao ovaj mineral, poznat kao i kalcijum titoksid.
Perovskiti koji se koriste u solarnoj industriji su sintetskog porekla, pa se tako u laboratorijama vrši modifikacija ovog jedinjenja, ne bi li se poboljšale efikasnost, stabilnost i bezbednost. Umesto kalcijuma i titanijuma, u kristalnoj rešetci svoje mesto pronalaze određeni organski molekuli, metali i halogeni elementi (hlor, brom i jod).
Zahvaljujući jedinstvenoj strukturi i hemijskom sastavu, sintetski perovskiti imaju izvanrednu mogućnost apsorpcije sunčeve svetlosti, što je jedan od razloga zbog koga su se napori istraživača koncentrisali oko ovog materijala, sa ciljem razvijanja nove generacije solarnih ćelija koje bi bile efikasnije i jeftinije od silicijumskih.
Koliko je perovskit efikasniji?
Bolji komercijalni solarni paneli koji se danas koriste imaju efikasnost od oko 22% i napravljeni su od kristalnog silicijuma, a budući da je solarna najbrže rastuća energetska tehnologija u svetu, ovaj tip ćelija se sve više približava svom teorijskom maksimumu efikasnosti od oko 29 odsto.
Sa druge strane, jedan sloj tankog filma perovskita, debljinje oko 300 nanometara, u teoriji bi mogao da postigne efikasnost od skoro 33 odsto.
Međutim to nije jedini način na koji ovaj materijal može da se koristi.
Sintezom perovskita i silicijuma koji su osetljivi na različite oblasti spektra Sunčevog zračenja i njihovim kombinovanjem u takozvane tandemske ćelije, efikasnost bi mogla dodatno da se poveća, čak preko 40 odsto.
Dok silicijum apsorbuje crvenu svetlost vidljivog spektra, perovskit apsorbuje plavu, čime tandem postiže veću efikasnost nego svaki materijal zasebno.
Razvojem i proizvodnjom ovakvih ćelija bave se kompanije kao što su Swift Solar i Oxford PV, koji tvrdi da je dostigao efikasnost od 28 odsto krajem 2018, kao i da će do kraja 2020. prvi u svetu, pokrenuti industrijsku linijsku proizvodnju perovskit-silicijumskih tandemskih solarnih ćelija.
KLIMA101 NEDELJNI NEWSLETTER
Jeftiniji i manje zahtevan proizvodni proces
Dok je proizvodnja silicijumskih ćelija kompleksan proces, koji, između ostalog, podrazumeva redukciju kvarca u peći na temperaturi od preko 1780 °C i prečišćavanje silicijuma na oko 600 °C, perovskiti se mogu napraviti na niskoj temperaturi, uz značajno manji utrošak energije, pomoću jeftinih i lako dostupnih supstanci.
Neke kompanije u svetu već razvijaju niskobudžetne tehnike kojima bi se perovskit naneo u tankom filmu na različite površine, na primer, na komad stakla, ne bi li ta površina dobila ulogu solarne ćelije. Ako ste pomislili na sprej boce ili kertridže u štampačima pune perovskita, pomoću kojih bi se naprskala ili jednostavno odštampala solarna ćelija na nekoj površini, u pravu ste, istraživači uveliko rade na tome.
Jednostavno i ekonomski isplativije dobijanje solarnih ćelija koje su tanje od jedne vlasi kose, lagane i fleksibilne, može da omogući njihovu primenu na najrazličitije načine. Kalifornijski startap, Solar Swift, planira da napravi visoko efikasne tandemske solarne ćelije, samo od dva sloja različitih perovskita, koje bi za početak mogle da se koriste za oblaganje dronova, satelita, kao i kod klima uređaja u kamionima. Sa daljim napretkom, ćelije poput ovih mogle bi da se koriste i za oblaganje automobila, čitavih zgrada, pa čak i odeće.
(Ne)stabilnost perovskita
Ako perovskiti imaju toliko jasno uočljivih prednosti u odnosu na komercijalne silicijumske solarne ćelije, zašto ih već sada ne koristimo masovno za dobijanje čiste energije?
Perovskiti su rastvorljivi u vodi i osetljivi na povećanu temperaturu, što nisu povoljne osobine solarnih ćelija kojima biste želeli da prekrijete svoj krov i oslonite se na njihovu funkciju nekoliko decenija.
Kada je solarni panel izložen sunčevoj svetlosti, on može da se zagreje do oko 70 °C. Na toj temperaturi perovskit postaje vrlo nestabilan, a uočeno je da čak i na sobnoj temperaturi mogu da se jave promene koje dovode do nestabilnosti materijala.
Gore pomenuta kompanija Oxford PV tvrdi da je rešila jedan deo tih problema, a poslednja otkrića na polju povećanja stabilnosti perovskita su veoma obećavajuća.
Najnoviji pomaci
Dve studije iz aprila i marta ove godine objavljene u časopisima Nature i Science bavile su se hemijskom modifikacijom perovskita u cilju povećanja njegove stabilnosti. Jedinjenja koja su razvijana u obe studije pokazala su bolju stabilnost i otpornost na toplotu.
Ipak, najuzbudljiviji su rezultati istraživanja australijskih naučnika, koje je objavio Science pre samo par dana, 22. maja. Naime, tim istraživača je hermetički obložio perovskitne solarne ćelije polimernim staklom i podvrgnuo ih rigoroznim testovima koje propisuje Međunarodna elektrotehnička komisija.
Ovi testovi simuliraju uslove na otvorenom i pokazuju kako će se ponašati stabilnost materijala u rasponu temperatura od -40 °C do 85 °C, kao i pri relativnoj vlažnosti vazduha od 85 odsto.
Prvi put u istoriji, perovskitne solarne ćelije ispunile su zahteve međunarodnih standarda za dugoročni rad pri izloženosti padavinama, Sunčevom zračenju i strujanju vazduha, učinivši da nam visokoefikasne solarne ćelije budu jedan korak bliže.
