Perowskitowe ogniwa fotowoltaiczne - jakie mają zastosowanie? Czy zastąpią obecne ogniwa fotowoltaiczne?
Zaczęto o nich mówić z nadzieją kilka lat temu. Dziś pojawiają się w pierwszych zastosowaniach. Perowskitowe ogniwa fotowoltaiczne mają wiele atutów, dzięki którym ich pozycja na rynku energii odnawialnych jest wyjątkowa. Jakie zastosowanie mają w tej chwili perowskity i jaka będzie ich przyszłość?
Spis treści
- Ograniczenia tradycyjnych ogniw fotowoltaicznych
- Wszystko zaczęło się od minerału
- Przełom w technologii wytwarzania
- Zasadnicze różnice
- Szerokie zastosowanie
- Perowskity na fasadach
- Inne zastosowania
- Przyszłość
Ogniwa fotowoltaiczne służą nam od wielu dekad i wydawałoby się, że nic nas już w tej technologii nie zaskoczy. Ciemne, płaskie prostokątne panele, montowane zazwyczaj na dachach, spotyka się dziś powszechnie. Coraz większe zapotrzebowanie na prąd i presja na odchodzenie od paliw kopalnych, wymuszona groźbą wywołania przez człowieka nieodwracalnych zmian klimatycznych, w ostatnich latach wyniosła fotowoltaikę do rangi kluczowej technologii energetycznej. I to nawet w krajach, gdzie kąt padania promieni słonecznych znacząco zmniejsza efektywność ogniw.
Dodatkowo proces transformacji przyspieszają czynniki geopolityczne. W wyniku pełnoskalowej inwazji Rosji na Ukrainę 24 lutego 2022 r. Europa zmuszona była gwałtownie przeorientować swą politykę energetyczną. Odejście od gazu ziemnego, przy jednoczesnym lęku wielu zachodnich społeczeństw przed energią jądrową, wymusiło szukanie alternatywnych źródeł energii.
Fotowoltaika stała się najważniejszym beneficjentem tej rewolucji. Przykładowo, w Niemczech rząd wsparł ten sektor energetyki dodatkową kwotą 2,5 mld euro w roku 2022, a w roku bieżącym dołożył kolejne 2 mld euro.
Głód energii, na który cierpi przede wszystkim niemiecki przemysł, odcięty od taniego rosyjskiego gazu, prowokuje naszych sąsiadów do szukania rozwiązań radykalnych. Rozważa się np. zabudowywanie przestrzeni nad autostradami dachami z panelami fotowoltaicznymi. Biorąc pod uwagę, jak wielką sumarycznie powierzchnię zajmują autostrady, ilości produkowanego dzięki tej inwestycji prądu rzeczywiście mogłyby być znaczące. Tu jednak pojawia się pytanie, czy aby na pewno optymalnym rozwiązaniem byłby montaż na tych dachach ogniw tradycyjnych.
Ograniczenia tradycyjnych ogniw fotowoltaicznych
Paradoksem gwałtownego wzrostu popularności fotowoltaiki jest bowiem to, że tradycyjne krzemowe ogniwa to technologia niemal zastygła w swym kształcie od wielu długich lat. Pułap wydajności jest co prawda co jakiś czas nieznacznie śrubowany, natomiast funkcjonalność tych ogniw nie uległa zmianie już od dekad. Mocno ograniczają ją cechy fizyczne tych paneli.
Zreasumujmy: tradycyjne ogniwa fotowoltaiczne są duże, kruche, ciężkie i sztywne, i żadną miarą nie są dyskretne. Szpecą budynki, co z jednej strony budzi zrozumiały opór mieszkańców domów, którym miałyby dostarczać energię, z drugiej strony – montaż na wielu zabytkowych obiektach, ze względu na ich historyczny charakter, nie wchodzi w grę. Tradycyjnych ogniw nie można też stosować na lekkich konstrukcjach – jak choćby na zwieńczeniach wielu hal magazynowych – są bowiem zbyt ciężkie.
Względy estetyczne, ale też znikoma wydajność tradycyjnych ogniw w sytuacjach, gdy światło słoneczne pada na nie pod nieoptymalnym kątem, sprawiają, że praktycznie nie montuje się ich na fasadach budynków. Królestwem tradycyjnej fotowoltaiki są dachy i farmy słoneczne – czyli miejsca wyłączone z aktywności społecznych. Co gorsza, to tylko niektóre z ograniczeń tej leciwej technologii.
Wszystko zaczęło się od minerału
Ogniwa perowskitowe to technologia rozwijana intensywnie dopiero od kilku lat. Tym bardziej imponuje tempo dokonywanych postępów. Poziom wydajności, do którego ogniwa tradycyjne dążyły w żółwim tempie przez dekady, w przypadku ogniw perowskitowych został przekroczony błyskawicznie i wciąż widać na horyzoncie szanse na dalsze śrubowanie wyników. Nazwa ogniw wywodzi się od minerału odkrytego w 1839 r. w górach Ural przez Gustava Rose. Niemiecki geolog, decydując się na nazwę perowskit, chciał w ten sposób uhonorować rosyjskiego kolegę po fachu Lwa Pierowskiego.
Dzisiejsze ogniwa perowskitowe są wytwarzane na bazie związków o strukturze perowskitowego kryształu uzyskiwanych w laboratorium. Sam perowskit jest więc znany nauce już od dawna, ale dopiero stosunkowo niedawno został zbadany pod kątem zastosowania w fotowoltaice. Nawet jednak po odkryciu jego atutów, które można by wykorzystać przy tworzeniu ogniw przetwarzających światło słoneczne na prąd, perowskit był traktowany przede wszystkim jako intrygująca ciekawostka – poważnym problemem okazało się bowiem opracowanie technologii produkcji takich ogniw o pożądanej wydajności. Jeszcze dekadę temu, zgodnie w ówczesnym stanem wiedzy, przeszkoda ta wydawała się niemożliwa do pokonania.
Przeczytaj również:
- Magazyny energii w halach przemysłowych - technologie i zastosowanie
- Fasady bioklimatyczne
- System zarządzania energią EMS - co to jest, jak działa i jakie daje korzyści?
Przełom w technologii wytwarzania
Problem wytwarzania przełomowych ogniw słonecznych na bazie perowskitu pomogła rozwiązać polska fizyczka Olga Malinkiewicz – jak wspomina, w dużej mierze dlatego, że nie była świadoma, iż porywa się z motyką na, nomen omen, Słońce. A także, niewątpliwie, za sprawą nieustępliwego charakteru.
Pracując wówczas w Hiszpanii, na uniwersytecie w Walencji badała możliwości perowskitu, choć wszyscy wokół mówili jej, że to strata czasu. Ślepy zaułek, bo przecież inni, utytułowani naukowcy przed nią już tą ścieżką próbowali podążać – bez rezultatu. Olga Malinkiewicz dokonała wtedy odkrycia, które pozwoliło na opracowanie relatywie prostej technologii produkcji ogniw perowskitowych metodą druku na dowolnym podłożu, w tym elastycznej folii PET.
Za opracowanie niskotemperaturowej technologii wytwarzania perowskitowych ogniw fotowoltaicznych badaczka otrzymała 28 marca 2014 r. główną nagrodę w konkursie naukowym Photonics21.
Odkryciem natychmiast zainteresował się biznes. Olga Malinkiewicz zdecydowała się przyjąć ofertę biznesmenów Artura Kupczunasa i Piotra Krycha, by dalsze badania nad technologią perowskitową prowadzić w ojczyźnie. Ich działania doprowadziły do powstania firmy Saule Technologies, a następnie otwarcia pierwszej na świecie linii produkcyjnej ogniw perowskitowych, działającej od 21 maja 2021 r. na terenie Wrocławskiego Parku Technologicznego, gdzie funkcjonuje również laboratorium.
Wrocławska fabryka miała przede wszystkim udowodnić, że technologia jest już okrzepła, gotowa do wprowadzenia na rynek. Jej wydajność nie pozwala na wielkoskalową produkcję, ale wytwarzane we Wrocławiu ogniwa już dają przedsmak tego, co ta przełomowa technologia może nam zaoferować.
Zasadnicze różnice
Od tradycyjnych ogniw krzemowych ogniwa perowskitowe różnią się niemal wszystkim. A to oznacza, że mogą znaleźć zupełnie nowe zastosowania.
Zacznijmy od procesu produkcji. W epoce antropocenu, gdy największym zagrożeniem dla ekosystemu Ziemi jest działalność człowieka, różnica w produkcji ogniw krzemowych i perowskitowych ma niebagatelne znaczenie. Do wytworzenia ogniw tradycyjnych trzeba zużyć olbrzymie ilości energii, ze względu na wysoką temperaturę topnienia krzemu.
W typowych procesach produkcji ogniw krzemowych zazwyczaj temperatura przekracza 800°C. Dług energetyczny zaciągnięty podczas wytwarzania ogniw jest zatem potężny. Odwrotnie wygląda sytuacja w przypadku ogniw perowskitowych. Można je wytwarzać w niskiej, wręcz pokojowej temperaturze. To oznacza, że zaciągnięty dług energetyczny jest szybko spłacany, a tego typu ogniwa są bardziej przyjazne naturze.
Z niskimi temperaturami wytwarzania wiąże się kolejna przewaga – ogniwa perowskitowe można nanosić bezpośrednio na praktycznie dowolne podłoże – folię PET, tekstylia, a nawet papier – bez obaw, że ulegnie ono zniszczeniu z powodu żaru. Jest to tym bardziej istotne, że ogniwa te są bardzo lekkie, cienkie i elastyczne.
Szerokie zastosowanie
Właściwości omawianej technologii oznaczają rewolucję w kwestii możliwych zastosowań. Można wyobrazić sobie zimową kurtkę z nadrukowanym ogniwem, które zasila zaszyty w niej podgrzewacz. Torbę z nadrukowanymi ogniwami ładującymi przenoszony – lub zintegrowany – powerbank, z którego będziemy mogli doładować w razie potrzeby smartfon, tablet czy bezprzewodowe słuchawki.
A może warto wykorzystać obudowy tych urządzeń? Po to, by smartfon czy tablet, podładowując się w trakcie pracy, działał dłużej?
Jest to możliwe także dlatego, że ogniwa perowskitowe mogą być półprzeźroczyste, a także zabarwiane na rozmaite kolory. To sprawia, że można je uczynić praktyczne niewidocznymi dla postronnej osoby. Nie jest zatem niemożliwe produkowanie np., notebooków, których pokrywa generuje prąd, dzięki czemu urządzenie działa dłużej z daleka od gniazdka.
Można także wyobrazić sobie podobne do opisanych, ale dostosowane do większej skali zastosowania ogniw perowskitowych. Gdyby pokrywać nimi plandeki TIR-ów, żagle jachtów, wiaty elektrycznych hulajnóg, a nawet karoserie samochodów, tak duże powierzchnie mogłyby generować znaczne ilości prądu.
Perowskity na fasadach
Częściowa transparentność ogniw perowskitowych pozwoliłaby nawet na pokrywanie nimi okien w biurowcach, fabrykach lub budynkach użyteczności publicznej. Rozważa się dziś nie tylko pokrywanie szyb foliami perowskitowymi, lecz także produkcję szyb z już zatopionymi w nich ogniwami.
Możliwość dyskretnej implementacji ogniw drukowanych na elastycznej folii otwiera nowe perspektywy w dziedzinie architektury. Zamiast szpecić dachy czarnymi prostokątami, jak to ma miejsce obecnie, można będzie produkować generujące prąd dachówki. Dla postronnego obserwatora nie będą się niczym różniły od zwykłych dachówek.
Wreszcie będzie można wykorzystywać ogniwa fotowoltaiczne na ścianach budynków. Dziś nie robi się tego nie tylko dlatego, że ogniwa tradycyjne są mało atrakcyjne wizualnie i ciężkie, ale również z tego względu, że umieszczone na pionowej elewacji nie będą zbyt wydajnie pracować. Tymczasem kolosalną przewagą ogniw perowskitowych nad tradycyjnymi jest ich zdolność do efektywnej pracy w nieoptymalnych warunkach oświetleniowych, czyli wtedy, gdy promienie słoneczne padają na nie z ukosa, a nawet przy częściowym zacienieniu.
Testy tej technologii i możliwość wykorzystania jej na skalę komercyjną w budownictwie biurowym wraz z Saule Technologies prowadzi Skanska. Firma w 2018 r. zaimplementowała pierwsze ogniwa na fasadzie biurowca Spark w Warszawie. Powierzchnia testowanego ogniwa słonecznego wynosiła 1,3 x 0,9 m i tworzyły je 52 moduły fotowoltaiczne. Ostateczna wersja takiego panelu, gdyby trafił do użytku komercyjnego, pokryłaby zapotrzebowanie energetyczne na oświetlenie miejsca pracy jednego pracownika przez osiem godzin lub zasiliła jeden komputer na cały dzień użytkowania.
Celem programu pilotażowego jest sprawdzenie, jak łatwo instaluje się ogniwa fotowoltaiczne z perowskitu. Testy zmierzają do wypracowania najlepszych rozwiązań pozwalających na integrację paneli z fasadą budynku bez szkody dla procesu projektowego i budowlanego.
Kolejnym przykładem zastosowania ogniw perowskitowych na fasadach są oferowane przez Saule Technologies, montowane na budynkach lamele – łamacze światła. Ich zadaniem jest tradycyjnie ochrona przed zbyt ostrym światłem i przegrzaniem w okresie letnim. Pokryte cienkimi, generującymi prąd ogniwami perowskitowymi, dodatkowo są w stanie zaspokoić w dużej mierze potrzeby energetyczne użytkowników budynku. Takie panele można zobaczyć na budynku firmy Aliplast w Lublinie.
Firma Saule Technologies podczas Wystawy Światowej Expo 2020 Dubai na elewacji Polskiego Pawilonu zaprezentowała również inne możliwości wykorzystania ogniw perowskitowych. Odwiedzający mogli naładować telefony energią słoneczną prosto z wbudowanej w fasadę instalacji składającej się z 20 pionowych liniowych elementów o łącznej powierzchni 2 m2.
Dzięki technologii druku ink-jet cienkie i elastyczne ogniwa perowskitowe były zintegrowane bezpośrednio z elewacją Pawilonu i dostosowane do jego stylu architektonicznego. Instalacja o łącznej mocy nominalnej ok. 200 W zapewniała usługę ładowania smartfonów za pomocą ośmiu portów USB i dołączonych kieszeni na telefon, ułatwiających przechowywanie urządzeń podczas ich ładowania.
Ogniwa perowskitowe mają wysoką sprawność zarówno przy naturalnym oświetleniu, jak i w sztucznym świetle, dzięki czemu stacja ładująca działała nawet w godzinach wieczornych. Przy stale optymalnych warunkach instalacja tej wielkości mogłaby ładować jednocześnie do 40 urządzeń, ponieważ dla standardowego telefonu potrzebna jest moc od 5 W. Tego typu rozwiązania z kategorii smart furniture w przyszłości będą powszechnie stosowane w biurach, restauracjach, centrach handlowych czy lotniskach.
Wszystkie opisane cechy sprawiają, że ogniwa ogniwa perowskitowe mogą znaleźć wiele zastosowań, w których ogniwa krzemowe nie mają racji bytu. Oczywistą implikacją tego faktu jest trudny do przecenienia handicap – brak wymogu rynkowej konfrontacji obu tych technologii fotowoltaicznych. Ogniwa perowskitowe w pierwszej kolejności mogą zajmować nisze, w których obecnie nie mają żadnej konkurencji.
I gdyby „tylko” na tym poprzestać, moglibyśmy śmiało mówić, że fotowoltaika perowskitowa radykalnie zmienia zasady gry w branży energetycznej. Nie wspomnieliśmy dotąd jednak o jeszcze jednym, być może najważniejszym jej atucie. Ogniwa perowskitowe, w przeciwieństwie do krzemowych, działają wydajnie nie tylko w kąpieli z promieni słonecznych, ale i w sztucznym świetle. I już teraz może to być wydajność naprawdę oszałamiająca. Producent już w ubiegłym roku ogłosił osiągnięcie pułapu aż 31% wydajności swoich ogniw perowskitowych w sztucznym świetle, co potwierdził w badaniach szanowany, niezależny niemiecki ośrodek badawczy Fraunhofer Institut. A to jeszcze nie koniec, technologia jest nadal rozwijana.
Inne zastosowania
Musimy sobie uświadomić, że świat znajduje się dziś na progu kolejnej wielkiej rewolucji przemysłowej. Jej istotą będzie Internet Rzeczy, znany też pod akronimem IoT (ang. Internet of Things). Pojęcie to oznacza świat, w którym olbrzymia liczba urządzeń komunikuje się i jest zarządzana bezprzewodowo w ramach sieci. Wyobraźmy sobie czujniki dymu lub ognia umieszczone w lesie, by błyskawicznie ostrzegać w przypadku pożaru.
Aby działać i mieć energię do łączenia się z innymi urządzeniami, muszą być wyposażone w źródło zasilania. Sieć energetyczna nie wchodzi w grę – czujniki są rozsiane po lesie. Zasilanie bateryjne również odpada, wymiana ogniw byłaby zbyt kłopotliwa i kosztowna. Jedynym wyjściem jest własne źródło zasilania. I najlepiej się tu sprawdzi nie kruche, nie w każdych warunkach działające dobrze ogniwo krzemowe, a właśnie ogniwo perowskitowe.
Perowskit wygrywa też w cuglach jako źródło zasilania miniaturowych urządzeń, które będziemy nosić na sobie – nikt przecież nie obwiesi się tabliczkami z krzemu – a także, co oczywiste, w przypadku urządzeń umieszczonych w pomieszczeniach, gdzie obecne jest wyłącznie sztuczne światło.
Jak dotąd problem niezależnego źródła zasilania był głównym powodem, dla którego Internet Rzeczy jeszcze nie stał się powszechną, nową rzeczywistością. Ogniwa perowskitowe eliminują tę przeszkodę.
Jak to działa, pokazuje pierwszy seryjny produkt zasilany ogniwami perowskitowymi, czyli elektroniczne etykiety cenowe, tzw. cenówki. Wyposażone w moduł łączności bezprzewodowej i specjalnie z myślą o nich napisane oprogramowanie pozwalają sprzedawcom zmieniać zdalnie cenę danego produktu nawet wielokrotnie w ciągu dnia, i to jednocześnie we wszystkich punktach sprzedaży w danej sieci, a także wyświetlać na cenówce dodatkowe komunikaty. Otwiera to drogę do stosowania technik marketingowych, które kiedyś nie mogłyby zaistnieć, np. krótkie, flashowe promocje na konkretny produkt, by zwiększyć lojalność klientów – wiedzących, że zawsze mogą liczyć na jakąś niespodziewaną, okazyjną przecenę.
Przyszłość
Ogniwa perowskitowe są cały czas doskonalone, wciąż znajduje się dla nich nowe zastosowania. Naukowcy stopniowo eliminują ich słabsze strony. Doskonalony jest proces laminacji, zabezpieczający ogniwa perowskitowe przed szkodliwą dla nich wilgocią, zwiększana jest ich trwałość. Niezwykłe jest to, że w tak krótkim czasie ta technologia przebyła dłuższą drogę niż ogniwa krzemowe przez długie dekady. Ewolucja przebiega błyskawicznie i wciąż nie widać na horyzoncie kresu możliwości tej technologii.
Pewne jest jedno – relatywnie proste w produkcji, docelowo łatwo dostępne dla każdego ogniwa perowskitowe mogą znacząco zmienić nasze życie. Są wielką szansą przede wszystkim dla ubogich mieszkańców krajów globalnego południa. Wielu z nich żyje bowiem na co dzień daleko od sieci energetycznej, a nawet gdy mają do niej dostęp, nie zawsze ich na to stać. Lekkie, wydajne, łatwe do przenoszenia ogniwa fotowoltaiczne, które po prostu można złożyć w rulon lub kostkę i zabrać wszędzie ze sobą, to szansa na lepszą jakość codziennej egzystencji.
