Jeśli chodzi o pierwiastki, krzem jest drugim co do wielkości tlenem, jeśli chodzi o obfitość na Ziemi. Do tego i jego właściwości jako półprzewodnika od dawna stanowi trzon elektroniki. Materiał jest we wszystkim, od układów komputerowych po radia. W końcu to imiennik centrum nowoczesnej technologii w Kalifornii, w Dolinie Krzemowej.
Mówiąc o słonecznej stolicy technologii, krzem jest podstawowym elementem stosowanym w panelach słonecznych. Trzej naukowcy z Bell Telephone Company z New Jersey opatentowali pierwsze krzemowe ogniwo słoneczne - pierwsze ogniwo słoneczne uważane za praktyczne, z jego zdolnością do przekształcania 6 procent przychodzącego światła w użyteczną energię elektryczną - w latach 50. XX wieku. Od tego czasu materiał dominuje na rynku energii słonecznej. Obecnie ponad 90 procent paneli produkowanych na całym świecie to panele PV z krzemu krystalicznego.
Krzem zyskał tak duży status i wpływ na rynek, przy niewielkiej konkurencji w przestrzeni słonecznej, że niewielu wie, że istnieją inne opcje dla energii słonecznej.
Perowskity, czyli struktury krystaliczne, są nowym typem ogniwa słonecznego, wykonanego ze wspólnych elementów, takich jak jodek metyloamoniowo-ołowiowy. Perowskity są łatwiejsze do wytworzenia i mają potencjał przekształcania światła słonecznego w energię elektryczną z większą częstotliwością niż ogniwa krzemowe. Wyzwanie polega na tym, że perowskity są wyjątkowo delikatne.
Jednak naukowcy z Uniwersytetu Stanforda czerpią wskazówki z natury. Aby uczynić perowskity bardziej trwałymi, przyjrzeli się sprężystej strukturze oka muchy.
Złożone oko muchy składa się z setek sześciokątnych segmentowych oczu, z których każde jest osłonięte organicznym „rusztowaniem” z białka organicznego w celu ochrony. Oczy mają kształt plastra miodu, a gdy jedno zawodzi, pozostałe nadal działają. Cały organ wykazuje nadmiarowość i wytrzymałość, które naukowcy mają nadzieję odtworzyć w panelach słonecznych.
Badacze poddali rusztowania wypełnione perowskitem testami pękania. (Dauskardt Lab / Stanford University) Reinhold Dauskardt i jego zespół inżynierii materiałowej stworzyli rusztowanie w kształcie plastra miodu, o szerokości zaledwie 500 mikronów, ze standardowego materiału fotolitograficznego lub materiału światłoczułego. Aby pożyczyć inny przykład od natury, tak jak pszczoła tworzy plaster miodu, a następnie wypełnia go miodem, naukowcy budują tę konstrukcję ochronną, a następnie robią w niej perowskit. Wirują roztwór pierwiastków w rusztowaniu, dodają ciepło i obserwują, jak krystalizuje, aby uzyskać strukturę perowskitu i jego właściwości fotowoltaiczne. Naukowcy następnie pokrywają ogniwo słoneczne srebrną elektrodą, aby je uszczelnić i jego zdolność do wychwytywania energii.
We wstępnym badaniu laboratoryjnym ogniwa słoneczne Dauskardta, które mają około sześciu pasm włosów, zachowały swoją strukturę i funkcjonalność. Poddane działaniu wysokich temperatur i wilgotności (185 stopni Fahrenheita i 85 procent wilgotności względnej) przez sześć tygodni, ogniwa nadal wytwarzały energię elektryczną na stałym poziomie. Rusztowania wokół perowskitów również nie odstraszały ich mocy elektrycznej.
To przełomowe osiągnięcie. Przed tą innowacją badaczom bardzo trudno było manipulować i tworzyć fotowoltaiczne komórki perowskitowe, nie mówiąc już o przetrwaniu w środowisku.
„Kiedy wygłaszałem wykłady na początku organicznej fotowoltaiki, powiedziałbym:„ jeśli oddychacie tymi materiałami, to zawiodą ”. W przypadku perowskitów mówię „jeśli spojrzysz na nie, to one zawiodą” - żartuje Dauskardt, główny badacz nowego badania opublikowanego w Science and Energy Science .
Perowskity mogą być do 100 razy bardziej kruche niż szkło. Ale dzięki rusztowaniu stosowanemu do hartowania wytrzymałość mechaniczna komórki wzrasta 30-krotnie. Dodaje ona zarówno stabilność chemiczną, jak i mechaniczną komórce, dzięki czemu badacze mogą ją dotykać bez pękania i wystawiać na działanie wysokich temperatur z mniejszą szansą na pogorszenie.
Po oświetleniu od dołu sześciokątne rusztowania są widoczne w obszarach ogniwa słonecznego pokrytych srebrną elektrodą. (Dauskardt Lab / Stanford University) Naukowcy z University of Tokyo po raz pierwszy zbadali ogniwo fotowoltaiczne z perowskitu jako alternatywę dla krzemowego ogniwa fotowoltaicznego w 2009 roku, a naukowcy z całego świata wskoczyli w tę dziedzinę. Ogniwa słoneczne Perovskite z pewnością mają swoje zalety. W przeciwieństwie do ogniw krzemowych, które wymagają obróbki w wysokiej temperaturze w celu oczyszczenia i krystalizacji, ogniwa słoneczne perowskitowe są stosunkowo proste w produkcji.
„Jest to przełom w jednej z sektorów badań nad perowskitami, ponieważ rozwiązuje problemy, które napotykają koncepcje na wczesnym etapie na drodze do komercjalizacji”, mówi Dick Co, dyrektor operacyjny i wsparcia w Argonne-Northwestern Solar Energy Research Center (ANSER). Powiedział jednak, że rozwój nie ma uniwersalnego zastosowania do wszystkich badań nad ogniwami słonecznymi perowskitowymi. Istnieje wiele sposobów tworzenia ogniw słonecznych perowskitów, a każde laboratorium ma swoje własne cele.
Ponieważ struktury krystaliczne mogą być wykonane z różnych elementów, istnieje również wiele możliwości estetycznych. Ogniwa słoneczne można wyposażyć w okna, blaty samochodowe lub inne powierzchnie narażone na działanie światła. Niektóre firmy drukują nawet komórki.
Co podejrzewa, że ogniwa słoneczne perowskitowe będą początkowo wpływać na rynki niszowe.
„Widziałem, jak są sprzedawane na ładowarkach do iPada, wbudowane w budynki i być może w samochody, takie jak zakrzywiona maska samochodu”, mówi. „Ale trudno sobie wyobrazić stworzenie [prototypowego] perowskitowego ogniwa słonecznego wielkości miniatury dużego i szeroko rozpowszechnionego, zwłaszcza gdy krzemowe fabryki słoneczne pompują wystarczającą liczbę modułów, aby objąć małe kraje”.
Niemniej jednak dzięki poprawie wydajności i trwałości naukowcy są na dobrej drodze do przygotowania ogniwa do produkcji energii elektrycznej w wielu środowiskach. Naukowcy złożyli wniosek o tymczasowy patent.
W nowym ogniwie słonecznym sześciokątne rusztowanie (szare) służy do podziału perowskitu (czarnego) na mikrokomórki w celu zapewnienia stabilności mechanicznej i chemicznej. (Dauskardt Lab / Stanford University) W teście Dauskardta ogniwa osiągnęły 15-procentowy współczynnik wydajności, który jest znacznie wyższy niż w pierwszym teście w 2009 r., W którym przekształcono 4 procent światła w energię elektryczną. Wskaźniki wydajności paneli krzemowych wynoszą około 25 procent, aw laboratorium perowskity osiągnęły wzrost o 20 procent. Naukowcy oszacowali wydajność teoretyczną perowskitów fotowoltaicznych na około 30 procent.
Dauskardt uważa, że jego zespół może ulepszyć rusztowanie, pierwotnie zbudowane z tanich, łatwo dostępnych materiałów, aby zwiększyć wydajność ogniwa.
„Byliśmy tak zaskoczeni, że udało nam się stworzyć tak łatwo, jak to możliwe. Teraz pytanie brzmi: czy są lepsze rusztowania, których możemy użyć? Jak możemy odzyskać światło padające na ścianę rusztowania? ”- mówi Dauskardt. On i jego koledzy planują eksperymentować z materiałami rozpraszającymi lekkie cząstki.
Dzięki potencjałowi taniej produkcji, stosunkowo szybkiej komercjalizacji (szacunki Dauskardta w ciągu najbliższych trzech do pięciu lat) i zadziwiająco różnorodnych zastosowań, ogniwo słoneczne perowskit może po prostu stworzyć kolejny wielki panel słoneczny na lata 2020 i później.
Więc kiedy ta mucha brzęczy ci do ucha, bądź pewien, że natura we wszystkich jej formach inspiruje.
