Ogniwa perowskitowe i ich rewolucyjny wpływ na fotowoltaikę

Ogniwa perowskitowe stanowią przełom w technologii odnawialnych źródeł energii i mają potencjał do zrewolucjonizowania rynku paneli słonecznych. Charakteryzują się niskimi kosztami produkcji i wysoką efektywnością w przetwarzaniu energii słonecznej na elektryczność. W tym artykule zapoznasz się ze wszystkimi aspektami działania ogniw perowskitowych, ich zastosowaniami, zaletami oraz potencjalnymi ograniczeniami.

Czym są perowskity?

Ogniwa perowskitowe to rodzaj ogniw słonecznych, które wykorzystują materiały z grupy perowskitów, czyli specjalnych minerałów o charakterystycznej strukturze krystalicznej. Odkrycie ich wyjątkowych właściwości fotowoltaicznych otworzyło nowe możliwości w dziedzinie pozyskiwania energii ze słońca.

Perowskity to klasa materiałów o charakterystycznej strukturze krystalicznej, znane z szerokiego zakresu zastosowań, szczególnie w dziedzinie elektroniki i fotowoltaiki. Nazwa pochodzi od minerału perowskitu, którego chemiczna formuła to CaTiO3 (tytanian wapnia), i została nadana na cześć rosyjskiego mineraloga Lewa Perowskiego.

Struktura perowskitów jest zwykle opisywana jako ABX3, gdzie:

• „A” i „B” to kationy różnej wielkości,
• „X” to anion, najczęściej tlen lub halogen.

Ta unikalna struktura nadaje perowskitom szereg ciekawych właściwości, takich jak wysoka przewodność elektryczna, ciekawe właściwości optyczne, czy zdolność do przewodzenia jonów. W ostatnich latach zyskały one szczególne znaczenie w dziedzinie fotowoltaiki, gdzie materiały perowskitowe wykorzystuje się do tworzenia wysokowydajnych ogniw słonecznych. Te ogniwa perowskitowe wyróżniają się niskim kosztem produkcji i wysoką efektywnością, co czyni je atrakcyjną alternatywą dla tradycyjnych ogniw słonecznych na bazie krzemu.

Jak działają ogniwa perowskitowe?

Działanie ogniw perowskitowych opiera się na przetwarzaniu energii światła słonecznego na energię elektryczną, podobnie jak w tradycyjnych ogniwach fotowoltaicznych. Kluczową różnicą jest materiał, z którego są one wykonane. Ogniwa perowskitowe wykorzystują specjalne materiały z rodziny perowskitów, które mają unikalne właściwości światłoczułe.

Gdy światło słoneczne pada na ogniwo perowskitowe, materiał absorbuje fotony. Proces ten powoduje, że elektrony w materiale perowskitowym są wzbudzane do wyższego stanu energetycznego. Wzbudzone elektrony tworzą pary elektron-dziura. Elektron znajduje się w stanie o wyższej energii, podczas gdy dziura, czyli brak elektronu, znajduje się w stanie o niższej energii. Elektrony i dziury są oddzielane i kierowane do różnych warstw ogniwa. To oddzielenie jest kluczowe, ponieważ zapobiega rekombinacji elektronów z dziurami (co oznaczałoby utratę energii). Rozdzielone elektrony przemieszczają się przez zewnętrzny obwód elektryczny do elektrody, tworząc prąd elektryczny. Po przekazaniu swojej energii elektrony wracają do ogniwa perowskitowego i rekombinują z dziurami, co zamyka obwód. Po rekombinacji system wraca do stanu początkowego, gotowy do ponownego zaabsorbowania światła słonecznego i wytworzenia prądu elektrycznego.

Cechą charakterystyczną ogniw perowskitowych jest ich wysoka efektywność przy konwersji światła słonecznego na elektryczność oraz możliwość wytworzenia ich przy niższych kosztach niż tradycyjne ogniwa krzemowe. Dodatkowo, mogą być one elastyczne i lekkie, co otwiera nowe możliwości zastosowań, takich jak integracja z różnymi powierzchniami i materiałami.

Gdzie stosowane są ogniwa perowskitowe?

Jako stosunkowo nowa i ciągle rozwijająca się technologia, ogniwa perowskitowe obecnie nie znajdują jeszcze szerokiego zastosowania w komercyjnych produktach. Jednakże, prototypy urządzeń wykorzystujących te ogniwa są aktywnie testowane.

Dzięki możliwości nakładania warstw perowskitowych na giętkie folie, spodziewa się, że te ogniwa będą wykorzystywane w lekkich, elastycznych panelach słonecznych. Takie panele będą idealne do zastosowań w budownictwie, odzieży, gadżetach oraz innych aplikacjach mobilnych.

Trwają również badania nad integracją ogniw perowskitowych z architekturą budynków. Umożliwi to wykorzystywanie powierzchni ściennych i dachowych do wytwarzania czystej energii elektrycznej z promieniowania słonecznego.

Wady i zalety ogniw perowskitowych

Choć ogniwa perowskitowe mają spory potencjał i kilka mocnych stron, borykają się także z pewnymi wyzwaniami.

Zalety

• Niska koszt produkcji – technologia produkcji jest relatywnie prosta i opiera się na tanich materiałach
• Wysoka efektywność – ogniwa te osiągają efektywność przekraczającą 25%
• Elastyczność – ogniwa perowskitowe można produkować na elastycznym podłożu
• Wysoka funkcjonalność – można je dostosować do różnych warunków atmosferycznych, dzięki czemu są bardziej efektywne niż klasyczne panele fotowltaiczne.

Wady

• Stosunkowo krótki czas trwałości
• Wrażliwość na wilgoć
• Mniejsza stabilność niż w przypadku krzemu
• Obecność toksycznego ołowiu w perowskitach

Podsumowanie

Ogniwa perowskitowe są postrzegane jako jedna z najbardziej obiecujących technologii w dziedzinie fotowoltaiki, z potencjałem do zdominowania rynku w najbliższych latach, głównie ze względu na swoje potencjalnie bardzo niskie koszty produkcji. Te ogniwa bazują na półprzewodniku perowskitowym, który jest tanim w syntezie i może być nanoszony w postaci cienkich warstw na różne typy podłoży.

Jedną z kluczowych zalet ogniw perowskitowych jest ich stosunkowo wysoka sprawność, przekraczająca 20%, a w najnowszych prototypach nawet 32%! Dodatkowo, ta technologia umożliwia tworzenie elastycznych paneli słonecznych, co jest korzystne zarówno dla zastosowań mobilnych, jak i w budownictwie.

Wciąż jednak ogniwa perowskitowe nie dorównują trwałością sprawdzonym od lat ogniom krzemowym. Trwają intensywne prace badawcze nad poprawą ich stabilności oraz eliminacją szkodliwych substancji, takich jak ołów. Po przezwyciężeniu tych wyzwań, perowskity mają potencjał, aby radykalnie zmienić rynek fotowoltaiczny.

Oczekuje się, że do lat 2027-2030 udział paneli perowskitowych na rynku może wzrosnąć do ponad 10%. Jeśli te prognozy się sprawdzą, ta innowacyjna i ekonomiczna technologia może rewolucjonizować globalny dostęp do odnawialnych źródeł energii. Jest to zapowiedź pozytywnych zmian dla nas wszystkich!