Bezpłatna wycena 579 990 495

Innowacje w OZE: Perowskity w fotowoltaice

Odnawialne źródła energii są dziś przedmiotem świadomego i – co istotne – dobrowolnego wyboru tych wszystkich, którzy chcą obniżyć domowe rachunki, uniezależnić swoje wydatki od nieprzewidywalnych wahań cen na rynkach i stojących za nimi wydarzeń geopolitycznych. Nie bez znaczenia jest też aspekt ekologiczny i filantropijna świadomość osobistego wkładu w ochronę środowiska. 

To jednak tylko kwestia czasu zanim opcjonalne dziś rozwiązania, te oparte w całości na „zielonej energii”, staną się koniecznością i jedynym dozwolonym standardem w zaopatrywaniu gospodarstw domowych ciepło i prąd elektryczny.

Stąd też powstała nasza seria artykułów traktująca o innowacjach w OZE. Przybliżamy w niej założenia nowoczesnych rozwiązań w tej dziedzinie technologii, które być może w którymś momencie zawitają na stałe do naszych domów. W drugiej publikacji z cyklu zajmiemy się tajemniczo brzmiącym tematem perowskitów.

Perowskity – co to takiego?

Mówiąc perowskity, mamy na myśli pewną określoną grupę związków chemicznych. Ich najlepiej znanym przedstawicielem jest związek o nazwie… perowskit. Podobnie jak stolicą Luksemburga jest Luksemburg, a niedawny film o przygodach Johna Rambo nazywa się „John Rambo”. Aby uniknąć zamieszania, poznajmy najpierw sam perowskit, a dopiero potem przyjrzymy się grupie pokrewnych mu związków.

W poprzedniej publikacji sporo mówiliśmy o atomach, które są budulcem wszelkiej materii. Wspominaliśmy, że atom może mieć nadmiar lub niedomiar elektronów, ruchliwych cząstek obdarzonych ujemnym ładunkiem. 

Gdy taki stan ma miejsce, wówczas atom nazywamy jonem, a mówiąc precyzyjnie – anionem lub kationem, w zależności od tego czy elektronów jest za dużo, czy za mało względem stanu równowagi. Ładunek anionu oznaczamy minusem zapisywanym w indeksie górnym, zaś kationu – plusem. Przykładowo, kation Na+ to atom sodu z brakiem jednego elektronu względem liczby dodatnich cząstek w atomie, a S2- to siarka z nadmiarem dwóch ujemnych elektronów.

Perowskit, a więc konkretny związek chemiczny, opisujemy wzorem CaTiO3 oraz właściwą mu nazwą – tytanian (IV) wapnia. Ja widać, składa się z kilku elementów – kationu Ca2+ (stworzonego przez atom wapnia z niedomiarem elektronów) i anionu tytanianowego TiO32- (zbudowanego z połączonych ze sobą jonów tytanu i tlenu w stosunku ilościowym 1:3). 

Kolejne, osobne cząsteczki CaTiO3 układają się względem siebie w uporządkowany i powtarzalny sposób, niczym trójwymiarowe rusztowanie, tworząc makrocząsteczkowe skupisko, które możemy obserwować w formie kryształów. 

Tak samo, zresztą, jak w przypadku znacznie mniej abstrakcyjnych dla naszej wyobraźni związków niż perowskit. Cząsteczki chlorku sodu NaCl akumulują się tworząc kryształy soli kuchennej, czy cząsteczki sacharozy C12H22O11 układają się w przestrzeni w znane nam kryształy cukru. Jeśli kryształy powstają siłami natury, w wyniku procesów geologicznych lub kosmologicznych, wówczas nazywamy je minerałami. 

Perowskit jest właśnie takim minerałem. Zaś jego zwyczajowa nazwa słusznie przywodzi na myśl język wschodnich sąsiadów, bowiem związek ten jest głównym budulcem Uralu, łańcucha górskiego w Rosji. Uhonorowano w ten sposób założyciela Rosyjskiego Towarzystwa Geograficznego, którym był Lev Perovski.

Perowskity, czyli związki pokrewne względem perowskitu

Do grupy perowskitów zaliczamy kilka związków chemicznych, które charakteryzują się zbliżoną budową chemiczną oraz gęstą strukturą krystaliczną. Najważniejsze z nich to wspomniany już perowskit oraz pokrewne – barioperowskit BaTiO3 (tytanian (IV) baru), macedonit PbTiO3 (tytanian (IV) ołowiu), wolastonit CaSiO3 (krzemian (IV) wapnia) czy enstatyt MgSiO3 (krzemian (IV) magnezu). 

To tylko kilka przykładowych związków chemicznych wybranych z bardzo licznej grupy perowskitów. Nie mniej jednak, patrząc na nie możemy już wysnuć wnioski co pewnych wspólnych cechy budowy. Opisana jest ona ogólnym wzorem ABX3, co sugeruje występowanie dwóch różnych kationów – umownie zapisanych literami A i B – oraz jednego anionu złożonego z trzech atomów X połączonych ze sobą ze sobą w cząsteczkę.

Uszczegółowiony wzór opisujący kryształ perowskitu może dać nam lepsze pojęcie o budowie przestrzennej takiego związku. Prezentuje się on następująco: XIIA2+ VIB4+ X2−3. Człony A i B odpowiadają dwóm różnym kationom, połączonym ze sobą za pośrednictwem anionu oznaczonego tu literą X. 

Kation A charakteryzuje się liczbą koordynacyjną równą 12, a tym samym tyle właśnie pojedynczych atomów można do niego przyłączyć. Jest jak wieszak, na którym można powiesić 12 kurtek. Z kolei każdy kation B może przyłączyć do siebie 6 atomów. 

Tyle teorii, bo gdy to sobie zwizualizujemy, zobaczymy figurę przestrzenną, złożoną z atomów B ułożonych względem siebie w sześcian. Wokół każdego z atomów B rozciąga się ośmiościan zbudowany z atomów X. Gdy wpisać go w sześcian złożony z atomów A, ostatecznie uformuje się kształt cząsteczki perowskitu na wzór sześcio-ośmiościanu (tj. wielościanu, który posiada 12 wierzchołków, 24 krawędzi, 14 ścian). 

Najczęściej jednak budowę perowskitu obrazuje w uproszczeniu i wówczas atom B leży w geometrycznym środku sześcianu, atomy A – na jego wierzchołkach, a atomy X – na jego bokach.

perowskity

Tradycyjne ogniwa fotowoltaiczne

Przy okazji jednego z poprzednich artykułów, wspomnieliśmy już, że krzem jest głównym budulcem produkowanych dzisiejszą technologią ogniw słonecznych. Aż 90% przemysłu fotowoltaicznego bazuje właśnie na tym pierwiastku.

Jaką konkretnie rolę spełnia krzem? 

Wyobraźmy sobie ogniwo fotowoltaiczne, złożone z dwóch nałożonych na siebie warstw metalu. Jedną tworzy półprzewodnik „typu p”, a drugą półprzewodnik „typu n”. Warstwa n (od słowa negative, czyli ujemny) złożona jest z atomów o nadmiarze elektronów (atomy te pełnią rolę donorów cząstek), a warstwa p (od słowa positive, dodatni) – przeciwnie. 

W drugim przypadku, na atomach (akceptorach) panuje nadmiar ładunków dodatnich. Pomiędzy obiema warstwami znajduje się obszar graniczny zwany „złączem p-n”. W pierwszej chwili po zetknięciu obu warstw, nastąpi przemieszczenie ładunków przez obszar złącza i osiągnięcie stanu równowagi. Wolne ładunki ujemne znalazły się po stronie p, a wolne ładunki dodatnie – po stronie n. Na różnoimienne ładunki spoczywające teraz po obu stronach złącza działa siła (powstaje pole elektryczne), wskutek której dalszy przepływ cząstek ustaje. 

Działanie panelu fotowoltaicznego

Gdy na powierzchnię półprzewodnika n pada światło, energia słońca niesiona przez foton przechodzi na atomy. Wzbudzony nią elektron, spoczywający po stronie p, wędruje przez złącze z powrotem w kierunku warstwy półprzewodnika n. Ładunki dodatnie – w odwrotnym kierunku. 

Następuje uporządkowany ruch cząstek, zwany prądem. Zjawisko nazywamy zaś efektem fotowoltaicznym. Najłatwiej jest je wywołać, gdy warstwy ogniwa p i n zbudowane są z półprzewodników, a więc materiałów, które pod względem przewodnictwa prądu plasują się między izolatorami a metalami. 

Prawo fizyczne zwane limitem Shockley–Queisser’a mówi, że maksymalna możliwa do osiągnięcia wydajność ogniwa słonecznego wynosi 33,7 %, o ile będzie się ono charakteryzować przerwą energetyczną na poziomie 1,34 elektrovolta. 

Przerwą energetyczną? W uproszczeniu, jest to taka wartość energii, która pozwala wybić elektron z atomu, tak aby stał się wolną cząstką. Ogniwa silikonowe charakteryzuje przerwa energetyczna równa 1,1 eV, co w teorii pozwala uzyskać wydajność 32%. W praktyce jest to maksymalnie 26,7 otrzymane w skali laboratoryjnej.

Ze wszystkich znanych nam półprzewodników, tzw. wafle silikonowe charakteryzuje najniższa cena jednostkowa oraz najwyższa jakość kryształów. Akcesoria fotowoltaiczne wytwarza się z piasku, którego na Ziemi mamy pod dostatkiem. Natomiast warto zdawać sobie sprawę, że panele silikonowe mają też pewne wady – są dość kruche, sztywne i podatne na uszkodzenia. 

Niewielki defekt praktycznie dyskwalifikuje panel jako funkcjonalną całość. Są też wciąż jeszcze stosunkowo drogie. Zużycie krzemu w przeliczeniu na produkcję energii fotowoltaicznej wynosi ok. 4 gramy na watt. Za surowiec zapłacimy ok. 1700 USD za tonę, przy czym cena krzemu stanowi 40% całościowego kosztu związanego z produkcją modułów.

Perowskity w fotowoltaice

Perowskity są potencjalnie znakomitym zamiennikiem dla krzemu. Po pierwsze, ich zasób jest równie niewyczerpany. Kryształy perowskitów są najobficiej występującym minerałem na naszej planecie, stanowiąc 38% masy Ziemi (93% dolnego płaszcza Ziemi). Oprócz tego, świetnie sprawdzają się w roli półprzewodników. 

Ich zdolność ulegania zjawisku efektu fotowoltaicznego zarejestrowano w 2009 roku, a niedługo później wykorzystano do budowy paneli fotowoltaicznych, których wydajność pracy wyniosła 22%.

Ogniwo perowskitowe zbudowane jest z dwóch warstw półprzewodnikowych. Górna składa się z organicznego kationu oraz połączonego z nim chemicznie anionu w postaci halogenku ołowiu (APbX3). Literą X oznaczono tu dowolny pierwiastek z grupy halogenków – brom, jod lub chlor. Dolną warstwę tworzy przezroczysty tlenek przewodzący, np. SnO2, In2O3 czy ZnO. 

Taka struktura czyni ogniwo o wiele bardziej elastycznym i odpornym defekty, które w przypadku konstrukcji krzemowej kwalifikowałyby cały panel do wyrzucenia. W dodatku, są niezwykle cienkie, a co za tym idzie – lekkie. Jeden panel tradycyjny, mieszczący 120 ogniw krzemowych waży ok 20 kg. 

Różnice miedzy klasycznym modułem a modułem perowskitowym

W przeciwieństwie do granatowych lub czarnych warstw krystalicznego krzemu, perowskitowe panele są przezroczyste i możliwe do wizualnej personalizacji. Taka charakterystyka pozwoliłaby na dużo szersze adaptowanie fotowoltaiki do potrzeb miejskiej architektury. 

W marcu 2020, zespół naukowców z USA i Chin opublikował wyniki badań nad ogniwem tandemowym, gdzie górną warstwę stanowi perowskit zawierający w swej strukturze potrójny stop halogenkowy (chlor, brom, jod), a dolną – ogniwa krzemowe. Przy przerwie energetycznej na poziomie 1,67 eV, taka konstrukcja o wymiarach na poziomie 1 cm2 charakteryzowała się sprawnością rzędu 27%. 

Bez takiego hybrydowego usprawnienia, ogniwo krzemowe wykazywało sprawność 21%. Skok jakościowy o te kilka procent jest wbrew pozorom sporym osiągnięciem, zważywszy że panele krzemowe o wydajności 19 – 21% to dzisiejszy standard, obejmujący 90% rynku. A to dopiero wstęp do tego, by przy zastosowaniu nowej technologii złamać kiedyś limit Shockley–Queisser’a i opracować ogniwa o sprawności powyżej 30%.

Dlaczego więc przeważająca ilość produkowanych paneli słonecznych wciąż opiera się na ogniwach krzemowych? Póki co, ogniwa perowskitowe charakteryzuje zbyt mały rozmiar oraz szybka zużywalność. Nie ma tu mowy o wytrzymałości 25 lat, którą gwarantują producenci sprzętu pierwszej generacji, a w najlepszym razie – o kilku dniach stabilnej pracy. 

Wspomniane wyżej panele opisane w artykule naukowym, oprócz znaczącego skoku efektywności, notują jednak równoczesny postęp w dziedzinie trwałości. Połączenie trzech halogenków w pojedynczy stop w ramach perowskitu okazało się bardzo wydajnym posunięciem. Znacznie ograniczyło niekorzystny efekt rozwarstwiania się faz w ogniwie, a więc jego nieuchronnej degradacji. Po upływie 1000 godzin pracy w temperaturze 60°C zanotowano degradację ogniw poniżej 4%.

Podsumowanie

W roku 1996, na świecie zaprzestano sprzedaży benzyny ołowiowej, ku bardzo znacznej i niemal natychmiastowej poprawie stanu środowiska naturalnego. Dzisiejsze, prototypowe ogniwa perowskitowe przywracały by ten trujący pierwiastek do naszego otoczenia. Bo choć w miejsce ołowiu można byłoby wkomponować inny metal z IV grupy układu okresowego pierwiastków, to właśnie zawartość Pb w strukturze perowskitu decyduje o takich zaletach ogniwa solarnego jak m.in. wysoka absorpcja światła w zakresie widzialnym czy możliwość wpłynięcia na i określonego „dostrojenia” wartości przerwy energetycznej ogniwa. 

Potrzeba jeszcze trochę czasu, by tradycyjne ogniwa krzemowe zostały wyparte przez cienkie i lekkie jak warstwa lodu odpowiedniki następnej generacji. Jesteśmy na dobrej drodze by osiągnąć ten cel, gdyż jak pokazują statystyki, technologia paneli perowskitowych rozwija się w błyskawicznym tempie. 

Już 4 lata po jej opracowaniu, ogniwa na bazie tych minerałów przerosły pod względem wydajności wiele tradycyjnych technologii jak tę 40-letną opartą na kadmie i tellurze (CdTe) czy na atomach miedzi, indu, galu i selenu (CIGS). Kiedy w końcu uda się przejść z perowskitami ze skali laboratoryjnej i warunków eksperymentalnych do produkcji masowej, wówczas zmieni się nie tylko krajobraz naszego świata, ale i sposób w jaki myślimy o energii.


Jeśli chcesz się dowiedzieć czegoś więcej o instalacjach fotowoltaicznych, zamówić bezpłatną analizę opłacalności inwestycji, zadzwoń do nas 579 990 495 lub zostaw kontakt oddzwonimy i doradzimy.

Jak oceniasz nasz artykuł?

Kliknij gwiazdkę aby ocenić!

Średnia ocena 5 / 5. Liczba ocen: 2

Na razie brak głosów. Bądź pierwszy!