Ilustracija: Standford ENERGY, Video by Mark Shwartz / CC-BY-2.5
Da li proizvodnja energije može biti istovremeno i jeftina i pouzdana i ekološki prihvatljiva, jednom rečju ODRŽIVA? Jedan od načina da se dostigne ovaj cilj je korišćenje solarnih ćelija 3. generacije na bazi tankih filmova. Prednosti novih solarnih ćelija u odnosu na prethodne generacije ukazuju na to da će Sunce biti jedan od glavnih, ako ne i glavni izvor energije za našu planetu u budućnosti.
U ovom trenutku oko 16% stanovnika planete nema pristup električnoj energiji. S obzirom na to da će sredinom veka globalna populacija biti blizu 10 milijardi (od čega će oko 80% živeti u gradovima), problem obezbeđivanja dovoljne količine čiste, jeftine i pouzdane energije mora urgentno da se rešava.
Glavni izvor energije naše civilizacije (oko 80%) čine fosilna goriva. Sagorevanjem fosilnih goriva štetni gasovi se emituju u atmosferu, izazivaju efekat staklene bašte i dovode do klimatskih promena koje su pogubne po stanovništvo i ekosistem naše planete. Eksploatacija fosilnih goriva (kao i uranijuma za proizvodnju nuklearne energije) je sve komplikovanija, sve skuplja a procene ukazuju i na ograničenost njihovih rezervi (biće potpuno iscrpljene u drugoj polovini ovog veka). Imajući u vidu ove činjenice, potpuno su razumljiva predviđanja da će u budućnosti čovečanstvo sve više koristiti obnovljive izvore energije, koji pri tom utiču daleko manje nepovoljno na životnu sredinu.
Solarne ćelije prve generacije već osvajaju svet, nove generacije stižu
Među obnovljivim izvorima vredi posebno istaći solarnu energiju pošto je njen godišnji potencijal 200 puta veći od svih ostalih obnovljivih izvora zajedno. Zanimljiv je podatak da je energija sunčeve svetlosti koja obasja Zemlju za 1h približno jednaka energiji koja se potroši na Zemlji za godinu dana, zbog čega se veliki trud ulaže u istraživanje solarnih ćelija koje pretvaraju sunčevo zračenje u električnu energiju. Usled činjenice da se ova konverzija postiže fotonaponskim efektom, solarne ćelije se nazivaju fotonaponskim uređajima.
Postoje tri generacije solarnih ćelija:
– Prva generacija, na bazi kristalnog silicijuma (ove ćelije drže primat na tržištu),
– Druga generacija, na bazi neorganskih tankih filmova (takođe prisutne na tržištu),
– Treća generacija, na bazi tankih filmova (veliki potencijal za održivu proizvodnju električne energije u budućnosti usled jeftine masovne proizvodnje).
Svakako najznačajnija karakteristika solarnih ćelija je njihova efikasnost tj. odnos upadne solarne energije i proizvedene električne energije. Izražava se u procentima i, pored samog uređaja, zavisi i od spektra i intenziteta upadnog sunčevog zračenja kao i temperature.
Prva generacija solarnih ćelija učestvuje sa 90% na tržištu i praktično je bez premca, jer su još uvek jedini uređaji koji su demonstrirali efikasnost od oko 20% u realnim uslovima, sa vekom trajanja preko 20 godina. U laboratorijskim uslovima rekord efikasnosti od 26,1%, pokazuje kristalni silicijum (bez korišćenja sočiva za fokusiranje sunčeve svetlosti i ostalih „pomagala”). Nedostaci ove tehnologije su, kako fizički (mehanička nefleksibilnost, uređaji zauzimaju veliki prostor, zahtevna montaža) tako i ekonomski (procesi proizvodnje su jako zahtevni, a samim tim skupi, što period isplativosti čini suviše dugim), a delom i ekološki (visokotoksični nusproizvodi prilikom proizvodnje).
Druga generacija solarnih ćelija je nastala kao odgovor na pomenute nedostatke prve generacije. Razvojem tehnologije sa tanjim aktivnim slojem uređaja (gde se odvija fotonaponski efekat, odnosno gde fotoni podstiču kretanje nosilaca naleketrisanja), omogućeno je da solarne ćelije budu mehanički fleksibilne, zauzimaju manji prostor, praktično ne gubeći na efikanosti, a istovremeno smanjujući troškove proizvodnje usled manjeg utroška materijala i jednostavnijeg procesa proizvodnje. U laboratorijskim uslovima, najveća efikasnost druge generacije ćelija iznosi 23,4%. Međutim, nedostaci ove tehnologije uključuju materijale i procese proizvodnje koji su još uvek skupi za masovniju komercijalnu primenu, a neki materijali u ćelijama ove generacije se smatraju veoma toksičnim.
Solarne ćelije treće generacije imaju ogroman potencijal za proizvodnju održive električne energije u budućnosti
Treća generacija solarnih ćelija, nastala devedesetih godina prošlog veka, oslanja se na tehnologiju druge generacije sa ciljem da se proizvedu ćelije koje su takođe fleksibilne ali još tanje i još jeftinije, korišćenjem novih kombinacija materijala i proizvodnih procesa. Primeri ovih uređaja su: 1. Organske solarne ćelije na bazi poluprovodnih polimera; 2. Perovskitne solarne ćelije gde aktivni sloj čini hibridni materijal (organsko-neorganska perovskitna struktura); 3. Fotoosetljivi pigmenti; 4. Kvantne tačke, itd.
Glavna prednost ovih uređaja leži u činjenici da se veći deo komponenti (slojeva), a u nekim slučajem i svi slojevi, mogu proizvesti korišćenjem supstanci u tečnom stanju (rastvori i suspenzije). Na taj način se mogu formirati mastila, tj. štamparske boje, koje se zatim mogu nanositi sukcesivno, metodama kao što je štampanje. Samim tim se mogu proizvesti uređaji znatno većih površina i proces znatno ubrzati dok uslovi proizvodnje nisu ograničeni zahtevima kao u procesima proizvodnje prethodnih generacija (visoke temperature i/ili pritisci) što čini ove postupke znatno ekonomičnijim.
KLIMA101 NEDELJNI NEWSLETTER
Rekordna efikasnost perovskitnih ćelija
U laboratorijskim uslovima najveću efikasnost od 25,5% demonstrirala je perovskitna ćelija, a ćelija sa spojem perovskita i silicijuma dostigla je skoro 30%. Kao i kod bilo koje druge tehnologije, i ovde su prisutni nedostaci, uključujući nestabilnost u atmosferskim uslovima (osetljivost na vlagu i kiseonik iz vazduha), činjenicu da je visoka efikasnost konverzije još uvek ograničena na uzorke malih dimenzija, a neki materijali koji se koriste nisu ekološki prihvatljivi (kod perovskitnih ćelija se koristi olovo, stoga su istraživački napori fokusirani na eliminisanje ovog elementa bez bitnijeg smanjivanja efikasnosti i stabilnosti).
Bez obzira na pomenute nedostatke, kompanija Oxford PV je napravila pilot postrojenje perovskit/silicijum panela, kapaciteta 100 MW (megavata) gde se komercijalizacija očekuje u 2022. godini. To znači da se ulazak perovskitnih i organskih solarnih ćelija 3. generacije na fononaponsko tržište očekuje svakako u ovoj deceniji.
Istraživanja na Tehnološko-metalurškom fakultetu
Na Tehnološko-metalurškom fakultetu (TMF) u Beogradu, jedan od pravaca istraživanja su solarne celije poslednje generacije i zato se trudimo da nastava bude u korak sa najnovijim naučnim dostignućima iz ove oblasti. Multidisciplinarna institucija kao TMF odlično je mesto za istraživanje ovih tehnologija, jer su za njihovu realizaciju potrebna znanja i veštine iz oblasti neorganske hemije, organske hemije, elektrohemije, tehnologije štampanja, metalurgije, elektrotehnike, itd.
Naša dosadašnja istraživanja su, između ostalog, vezana za organske i perovskitne solarne ćelije kao i individualne slojeve, pre svega elektrode koje propuštaju svetlost i poseduju visoku električnu provodljivost. U istraživanjima smo se vodili idejom da nije racionalno posvetiti se dostizanju najvećih efikasnosti uređaja, već pokušati naći optimalnu kombinaciju materijala koji će jednostavnim i jeftinim procesiranjem (npr. štampanjem), u atmosferskim uslovima, proizvesti funkcionalnu solarnu ćeliju. Slojeve smo štampali sukcesivno, nakon svakog koraka uzorak se sušio, rastvarač otpario i formirao sloj filma. Za nanošenje slojeva korišćene su različite brzine i količine nanešene boje, kojim su dobijane željene debljine slojeva, neophodne za njihove maksimalne performanse.
Iako ove tehnologije pokazuju veliki potencijal, nije realno očekivati da će globalna potražnja energije moći da bude zadovoljena isključivo konverzijom energije Sunca. Predviđanja stručnjaka ukazuju da jedino kombinovanjem svih, pre svega obnovljivih, zelenih tehnologija, možemo istovremeno stvoriti održivi energetski sistem i smanjiti ugljenični otisak na planeti.
