Solar 3.0: Μία νέα ομάδα υλικών κάνει τα φωτοβολταϊκά εξαιρετικά αποδοτικά

Disclaimer: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, ολική, μερική ή περιληπτική ή κατά παράφραση ή διασκευή ή απόδοση του περιεχομένου του παρόντος διαδικτυακού τόπου με οποιονδήποτε τρόπο, χωρίς αναφορά στο RAWMATHUB.GR (με ενεργό link) ή χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια του RAWMATHUB.GR. 

Αν κάποιος ήθελε να τροφοδοτήσει με ηλεκτρική ενέργεια όλες τις ΗΠΑ με χρήση ηλιακών panel, θα ήταν αρκετή μια μικρή περιοχή της Νεβάδα ή του Τέξας ή της Γιούτα, καθώς, χρειάζονται περίπου 100 μίλια επί 100 μίλια ηλιακών συλλεκτών για να τροφοδοτηθούν με ενέργεια όλες οι ΗΠΑ.

Επί του παρόντος, μόνο το 2% της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας προέρχεται από ηλιακή ενέργεια. Και το 90% αυτού προέρχεται από ηλιακά panels που έχουν ως βάση το κρυσταλλικό πυρίτιο, το κυρίαρχο υλικό στην κατασκευή ηλιακών κυψελών. Αν και άφθονο, το πυρίτιο έχει κάποια μειονεκτήματα που σχετίζονται κυρίως με την απόδοση και την πολυπλοκότητα της κατασκευής, τα οποία το εμποδίζουν από το να θεωρείται το ιδανικό υλικό για αυτή την εφαρμογή.

Ωστόσο, υπάρχει μία ομάδα υλικών που είναι ελαφρύτερα, πιο αποδοτικά, απλά στην παραγωγή και έχουν χαμηλότερο κόστος. Θα μπορούσαμε να φανταστούμε μια σχετικά οικονομική λύση που μπορεί να κάνει ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο τόσο λεπτό, που μόνο μισό φλιτζάνι υγρού θα ήταν αρκετό για να τροφοδοτήσει με ενέργεια ένα σπίτι; Ένα ηλιακό panel τόσο ελαφρύ, που μπορεί να ισορροπήσει πάνω από μια σαπουνόφουσκα;

Αυτή η ομάδα υλικών χαρακτηρίζονται ως το «ιερό δισκοπότηρο» της ηλιακής ενέργειας και ονομάζονται περοβσκίτες (perovskites). Οι περοβσκίτες μπορούν να φέρουν την επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο οι άνθρωποι παράγουν ενέργεια από το φως του ήλιου.

Ο Joel Jean, CEO της Swift Solar, μιας από τις πιο πρωτοπόρες ερευνητικές ομάδες που προσπαθούν να εφαρμόσουν τα συγκεκριμένα υλικά στην παραγωγή ενέργειας από τον ήλιο, εξηγεί: «Είναι ένα νέο είδος τεχνολογίας λεπτών φιλμ. Έως τώρα διαφορετικά είδη λεπτών μεμβρανών έχουν χρησιμοποιηθεί και καταργηθεί με τα χρόνια. Αυτό που προσπαθούμε είναι να βρούμε ένα νέο υλικό που θα καλύπτει τις προδιαγραφές. Οι περοβσκίτες είναι ένα νέο ημιαγώγιμο υλικό που απορροφά το φως πραγματικά αποτελεσματικά και επίσης μπορεί να μεταφέρει φορτίο. Έτσι απλά αποδεικνύεται ότι είναι πολύ αποδοτικό υλικό για ηλιακά panel.»

Οι τεχνολογίες ηλιακών panel μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο κατηγορίες: (α) αυτά που χρησιμοποιούν δισκία πυριτίου (silicon wafers) και (β) εκείνα που χρησιμοποιούν εναπόθεση λεπτής μεμβράνης (silicon thin film). Τα panel που βασίζονται σε δισκία σιλικόνης, κατασκευάζονται σε ημιαγώγιμα δισκία, τα οποία συνήθως προστατεύονται από ένα υλικό όπως το γυαλί. Αυτές είναι οι κυψέλες κρυσταλλικού πυριτίου που θα βρείτε συνήθως σε ογκώδεις ηλιακούς συλλέκτες οροφής.

Τα panel λεπτής μεμβράνης κατασκευάζονται με εναπόθεση λεπτών στρωμάτων ημιαγώγιμων μεμβρανών σε γυάλινο, πλαστικό ή μεταλλικό υπόστρωμα και χρησιμοποιούν 10 έως 1000 φορές λιγότερο υλικό από τα δισκία κρυσταλλικού πυριτίου. Τα panel λεπτής μεμβράνης είναι ελαφριά και εύκαμπτα, αλλά έχουν χαμηλότερη μέση απόδοση.

Panel λεπτής μεμβράνης μπορούν να φτιαχτούν από άμορφο πυρίτιο ή πιο πολύπλοκα υλικά όπως το τελουρίδιο του καδμίου, αλλά οι επιστήμονες αναζητούν καλύτερες τεχνολογίες λεπτής μεμβράνης για φωτοβολταϊκά που μπορούν να έχουν πιο ευρεία χρήση. Αυτά τα υλικά είναι γνωστά ως «λεπτές μεμβράνες νέας γενιάς».

Επί του παρόντος, οι περοβσκίτες είναι ο κύριος υποψήφιος για αυτές τις τεχνολογίες. Τι θα μπορούσατε να κάνετε με ένα ηλιακό panel με απόδοση ισχύος 100 φορές μεγαλύτερη από τα συμβατικά panel πυριτίου; Ένα υλικό για την παραγωγή ενέργειας από τον ήλιο, τόσο άφθονο, που θα μπορούσε να επικαλύψει ουρανοξύστες. Τα εύκαμπτα, ελαφρά και υψηλής απόδοσης panel θα μπορούσαν να ανοίξουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, όπου τα παραδοσιακά panel πυριτίου είναι αδύνατον να χρησιμοποιηθούν λόγω βάρους και ακαμψίας.

Η κρυσταλλική δομή περοβσκίτη ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά στο φυσικά απαντώμενο ορυκτό με χημικό τύπο CaTiO₃. Ωστόσο, οι περοβσκίτες που χρησιμοποιούνται στα ηλιακά panel δε χρειάζεται να είναι προϊόντα εξόρυξης. Περοβσκίτης είναι κάθε υλικό με κρυσταλλική δομή σύμφωνα με τον τύπο ABX3, όπου το «Α» και το «Β» είναι δύο θετικά φορτισμένα ιόντα, συχνά διαφορετικών μεγεθών, και το Χ είναι ένα αρνητικά φορτισμένο ιόν.

Οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι μπορούσαν να δημιουργήσουν μια ποικιλία από τεχνητούς κρυστάλλους με τη δομή του περοβσκίτη και πολύ χρήσιμες ιδιότητες, ακολουθώντας την ίδια διάταξη. Συνήθως χρησιμοποιούνται άλατα αλογονιδίων μετάλλων, όπως για παράδειγμα ιωδιούχος μόλυβδος ή κάποια οργανικά άλατα τα οποία συνδυάζονται για να παραχθούν αυτοί οι ανόργανοι-οργανικοί υβριδικοί περοβσκίτες.

Εκτός του σχηματισμού τους σε διάλυμα, οι περοβσκίτες μπορούν να σχηματιστούν σε συνθήκες κενού με τη μορφή ατμών, οι οποίοι κατόπιν συμπύκνωσης, δύνανται να σχηματίσουν λεπτές μεμβράνες. Και αυτές οι λεπτές μεμβράνες είναι πολυκρυσταλλικές, γεγονός που σημαίνει ότι υπάρχουν πολλαπλές κρυσταλλικές περιοχές, ενώ παράλληλα έχουν εξαιρετικές ημιαγώγιμες ιδιότητες.

Τα πιο αποδοτικά σύγχρονα ηλιακά panel πυριτίου σε μια οικιακή εγκατάσταση λειτουργούν, στην καλύτερη περίπτωση, με απόδοση περίπου 20%. Η θεωρητική απόδοση μετατροπής των ηλιακών τεχνολογιών απλής διασταύρωσης (single junction) είναι περίπου 33%, ένας αριθμός που ονομάζεται όριο Shockley-Queisser. Αυτό είναι το θεμελιώδες όριο για ένα ηλιακό panel που αποτελείται από μεμονωμένα υλικά. Το πυρίτιο, οι περοβσκίτες, το τελλουρίδιο του καδμίου, τα CIGS, όλες αυτές οι τεχνολογίες έχουν το ίδιο όριο. Όμως, τα ηλιακά panel περοβσκίτη μπορούν να κατασκευαστούν με μία μορφή που είναι ικανή για πολύ υψηλότερα όρια απόδοσης, αυξάνοντας την απόδοση.

Για να κατανοήσουμε γιατί οι περοβσκίτες έχουν πλεονέκτημα έναντι των παραδοσιακών ηλιακών panels πυριτίου, ας κάνουμε πρώτα μια βασική επισκόπηση του τρόπου με τον οποίο τα φωτοβολταϊκά κύτταρα μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια. Το πάνω και το κάτω μέρος ενός ηλιακού στοιχείου περιέχουν ημιαγώγιμα υλικά με διαφορετικές ηλεκτρικές ιδιότητες.

Σε μια παραδοσιακή κυψέλη πυριτίου, για παράδειγμα, το πυρίτιο χρησιμοποιείται και για τις δύο στρώσεις, αλλά κάθε στρώμα τροποποιείται ή «εμποτίζεται» με μικροσκοπικές ποσότητες διαφορετικών στοιχείων για τη δημιουργία διαφορετικών ηλεκτρικών φορτίων. Το τμήμα που περιέχει μεγαλύτερη συγκέντρωση ελεύθερων αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων ονομάζεται «περιοχή τύπου n» και η πλευρά που περιέχει περισσότερες θετικά φορτισμένες οπές ή ηλεκτρόνια που λείπουν, είναι γνωστή ως «περιοχή τύπου p». Το όριο μεταξύ αυτών των δύο στρωμάτων είναι γνωστό ως «διασταύρωση pn».

Όταν ένα υλικό τύπου n και ένα υλικό τύπου p έρχονται σε επαφή, ελεύθερα ηλεκτρόνια από το υλικό τύπου n και ελεύθερες οπές από το υλικό τύπου p κινούνται μέσω της διεπαφής και αλληλοεξουδετερώνονται. Τα ηλεκτρόνια γεμίζουν τις οπές. Αυτό εξασφαλίζει τα σταθερά θετικά και αρνητικά φορτία των προσμίξεων ιόντων, τα οποία δημιουργούν ένα ηλεκτρικό πεδίο που εμποδίζει περισσότερα ηλεκτρόνια και οπές να κινούνται πέρα ​​από το όριο. Αυτό το ηλεκτρικό πεδίο αντιστοιχεί σε μια τάση και λειτουργεί σαν μονόδρομη «βαλβίδα» για φορείς φορτίου. 

Η θεμελιώδης μονάδα φωτός είναι το φωτόνιο, το οποίο αντιπροσωπεύει το μικρότερο πακέτο ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ενός δεδομένου μήκους κύματος. Όταν ένα φωτόνιο από το ηλιακό φως χτυπά ένα ηλιακό panel και απορροφηθεί, δημιουργεί ένα επιπλέον ελεύθερο ηλεκτρόνιο και οπή, τα οποία διαχωρίζονται από το ηλεκτρικό πεδίο και έλκονται σε αντίθετες πλευρές του ηλιακού κελιού, δημιουργώντας ένα «φωτορεύμα». Εάν έχουμε ηλεκτρόδια συνδεδεμένα και στις δύο πλευρές του στοιχείου, σχηματίζοντας ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, θα έχουμε δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος όσο ο ήλιος λάμπει.

Η μαγεία των κρυστάλλων περοβσκίτη έγκειται στη δυνατότητα προσαρμογής τους. Τα ηλιακά κύτταρα μονής διασταύρωσης μπορούν να απορροφήσουν μόνο ένα μέρος του ηλιακού φάσματος, ανάλογα με το υλικό ημιαγωγών που χρησιμοποιούν. Η χαμηλότερη ενέργεια φωτός που μπορεί να απορροφηθεί σε έναν ημιαγωγό ονομάζεται διάκενο ζώνης. Ένας ημιαγωγός δεν απορροφά φωτόνια με ενέργεια μικρότερη από το διάκενο ζώνης και η χρήσιμη ενέργεια που μπορεί να εξαχθεί από ένα φωτόνιο δεν είναι περισσότερη από την ενέργεια του διάκενου ζώνης. Αυτό σημαίνει ότι μεγάλο μέρος της ενέργειας στο ηλιακό φως πάει χαμένη όταν προσκρούει σε ένα ηλιακό κύτταρο, αλλά επειδή το διάκενο ζώνης των περοβσκιτών μπορεί να αλλάξει εύκολα, είναι δυνατόν να στοιβάζονται στρώματα περοβσκίτη το ένα πάνω στο άλλο.

Τα στρώματα αυτά είναι χημικά συντονισμένα ώστε να απορροφούν διαφορετικά μέρη του ηλιακού φάσματος. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα ηλιακό κύτταρο με πολλαπλές διασταυρώσεις pn που μπορεί να παράγει ηλεκτρική ενέργεια από ένα ευρύτερο φάσμα μηκών κύματος φωτός ή να εξάγει περισσότερη ενέργεια από κάθε φωτόνιο, βελτιώνοντας την απόδοση του κυττάρου.

Δύο ηλιακά κύτταρα το ένα πάνω στο άλλο ονομάζονται tandem, ή ηλιακό στοιχείο πολλαπλών συνδέσεων. Και στην πραγματικότητα, με τον τρόπο αυτό το όριο απόδοσης αυξάνεται από το θεωρητικό 33% σε πάνω από 40, περίπου 45 ή 46%. Θεωρητικά, ένας άπειρος αριθμός διασταυρώσεων θα είχε περιοριστική απόδοση 86,8% κάτω από εξαιρετικά συγκεντρωμένο ηλιακό φως.

«Η απόδοση μπορεί να αυξηθεί με περισσότερα στρώματα αλλά ταυτόχρονα αυξάνεται το κόστος. Οπότε το να κάνουμε δύο στρώματα ή να φτιάξουμε ένα tandem, αυτό είναι το πραγματικό ανταγωνιστικό πλεονέκτημα των περοβσκιτών», λέει ο Joel Jean. Συνεπώς, τα διαδοχικά στρώματα περοβσκίτη μετατρέπουν περισσότερη από την ενέργεια του ήλιου σε ηλεκτρική ενέργεια, αντί να τη σπαταλούν ως υπερβολική θερμότητα.

Ποια είναι λοιπόν τα ακριβή ποσοστά απόδοσης; Ο Jean υποστηρίζει ότι «δεν πρέπει να περιμένουμε ηλιακές κυψέλες απόδοσης άνω του 40% σύντομα. Νομίζω ότι θεωρητικά, θα μπορούσε να φτάσει εκεί, αλλά ρεαλιστικά πιστεύω ότι στη δεκαετία του 2030 θα είναι εφικτό, κάτι που εξακολουθεί να είναι ένα σημαντικό άλμα από αυτό που βλέπετε εκεί έξω στην αγορά σήμερα.»

Φυσικά δεν είναι μόνο η απόδοση που έχει βελτιωθεί. Η φύση των περοβσκιτών επιτρέπει επίσης κατασκευαστικά πλεονεκτήματα. «Επομένως, χρειάζεστε μόνο λιγότερο από το 1% αυτού του υλικού που χρειάζεστε για μια κυψέλη πυριτίου να απορροφήσει όλο το φως του ήλιου. Έτσι, θεωρητικά, μπορείτε να εξοικονομήσετε χρήματα. Το πλεονέκτημα με τους περοβσκίτες είναι ότι αποδεικνύεται ότι παρόλο που είναι κατασκευασμένοι από αυτό το είδος του όχι τέλειου υλικού, μπορείτε πραγματικά να φτιάξετε ένα πολύ, πολύ αποδοτικό ηλιακό στοιχείο, το οποίο σχηματίζεται σε χαμηλές θερμοκρασίες. Το πυρίτιο, συνήθως πρέπει να το κρυσταλλώσεις περίπου στους 1400^οC, ενώ με τους περοβσκίτες, αυτό γίνεται σε περίπου 100^οC. Δηλαδή μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε λιγότερο και απλούστερο εξοπλισμό και πιο τυπικές χημικές διεργασίες.»

Για την εναπόθεση των λεπτών μεμβρανών περοβσκίτη χρησιμοποιείται μία συσκευή που λέγεται θερμικός εξατμιστής. Είναι ένα από τα πολλά είδη εργαλείων εναπόθεσης που χρησιμοποιούνται για την εναπόθεση λεπτών μεμβρανών. Έτσι, ένα ηλιακό κύτταρο περοβσκίτη, όπως και κάθε άλλη συσκευή που στηρίζεται σε εναπόθεση λεπτής μεμβράνης, όπως ένα οργανικό LED, ή ένα ηλιακό στοιχείο τελλουριδίου του καδμίου, έχει πολλά στρώματα ημιαγωγών λεπτής μεμβράνης.

Ένας από τους τρόπους με τους οποίους εναποθέτετε μερικά από αυτά τα στρώματα, είναι η χρήση μιας τεχνικής όπου θερμαίνεται ένα υλικό πηγής, αυτό εξατμίζεται και εναποτίθεται σε μία επιφάνεια με χαμηλή θερμοκρασία, όπου και συμπυκνώνεται. Και αυτή η κρύα επιφάνεια, ουσιαστικά σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, μπορεί να είναι ένα πλαστικό φύλλο ή ένα γυάλινο φύλλο, ή ακόμα και ένα δισκίο πυριτίου. Η όλη συσκευή είναι υπό συνθήκες υψηλού κενού που διασφαλίζει το σχηματισμό ενός λεπτού ομοιόμορφου φιλμ. Και αυτό μας δίνει το ηλιακό κελί. Μπορείτε επίσης να φτιάξετε κυψέλες περοβσκίτη με περιστροφική απόθεση, μεταξοτυπία, ηλεκτροαπόθεση ή ακόμα και εκτύπωση του υλικού σε ένα φύλλο όπως ένας εκτυπωτής inkjet.

Οι περοβσκίτες έχουν βελτιωθεί πολύ από τότε που οι επιστήμονες άρχισαν να τους δοκιμάζουν για πρώτη φορά και τώρα αρχίζουν να ξεπερνούν τα μονοκρυσταλλικά και πολυκρυσταλλικά κύτταρα πυριτίου σε απόδοση μετατροπής του ηλιακού φωτός σε ενέργεια.

Ποιες είναι λοιπόν ακριβώς οι προκλήσεις που εμποδίζουν τους περοβσκίτες να κυριαρχήσουν στο τοπίο της ηλιακής ενέργειας και να αλλάξουν τα πάντα; Υπάρχουν πράγματα όπως η σταθερότητα, το οποίο είναι πιθανώς το βασικό πρόβλημα για τους περοβσκίτες. Δηλαδή πως θα μπορούσαμε να κάνουμε αυτές τις κυψέλες να διαρκέσουν αποτελεσματικά, για χρόνια στο πεδίο, κάτω από υψηλές θερμοκρασίες. Η σχετική ευθραυστότητα των περοβσκιτών απαιτεί προστασία από περιβαλλοντικές καταπονήσεις και την επακόλουθη υποβάθμιση. Τα διεθνή πρότυπα για τα ηλιακά panel απαιτούν σκληρές δοκιμές που προσομοιώνουν 25 χρόνια χρήσης στο πεδίο. Σε αυτές τις δοκιμές, τα panel θερμαίνονται και μάλιστα βάλλονται με προσομοιωμένο χαλάζι. Ωστόσο, παρόλο που μπορούμε να υποβάλλουμε τους περοβσκίτες σε αυτές τις σκληρές προσομοιωμένες δοκιμές που μας δίνουν μια πολύ καλή ιδέα για τη μακροζωία τους, είναι γεγονός ότι δεν έχουμε ακόμα πραγματικά δεδομένα όπως για την περίπτωση των panel πυριτίου, τα οποία χρησιμοποιούνται εδώ και δεκαετίες.

Επί του παρόντος υπάρχουν πολλές ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο που εργάζονται για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας και της σταθερότητας των περοβσκιτών ώστε να καταστεί δυνατή η εμπορική υιοθέτηση τους. Οι πρώτες ύλες για περοβσκίτες είναι άφθονες σε όλο τον κόσμο και τα ηλιακά κύτταρα μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας σχετικά απλές διαδικασίες παραγωγής. Άρα οι περοβσκίτες μπορούν να παραχθούν γρήγορα όταν οι συνθήκες θα επιτρέπουν την μαζική παραγωγή τους.

Υπολογίζεται ότι τα panel περοβσκίτη θα μπορούσαν να κοστίζουν έως και 15 φορές λιγότερο ανά watt από τα σύγχρονα εμπορικά ηλιακά panel πυριτίου. Επιπλέον, τα υλικά περοβσκίτη απορροφούν όλα τα μέρη του ηλιακού φάσματος αποτελεσματικά για να παράγουν την υψηλότερη δυνατή απόδοση ισχύος και οι εξαιρετικά λεπτές μεμβράνες ανοίγουν την πόρτα σε νέες μορφές προϊόντων με άνευ προηγουμένου αναλογίες ισχύος προς βάρος και υψηλή ευελιξία.

Ένα μέλλον με φθηνή, άφθονη ηλιακή ενέργεια θα μπορούσε να ανοίξει την πόρτα για ποικίλες περιπτώσεις χρήσης πέρα από τις τρέχουσες συνήθεις χρήσεις. Θα μπορούσαμε να δούμε ενσωματωμένα ηλιακά panel σε φορτηγά, λεωφορεία και αυτοκίνητα και οποιεσδήποτε άλλες εφαρμογές όπου το ηλιακό φως δε θεωρείται ακόμη αρκετά ενεργειακά πυκνό για να παρέχει την απαραίτητη ισχύ. Μπορείτε να φανταστείτε κτίρια καλυμμένα με διαφανή φωτοβολταϊκά τζάμια που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια;

Φυσικά είναι δύσκολο να προβλέψουμε το μέλλον της ηλιακής ενέργειας. Ενώ οι περοβσκίτες είναι πολλά υποσχόμενοι, έχουν ακόμα πολλές προκλήσεις που πρέπει να ξεπεράσουν ώστε να εκτοπίσουν τα ηλιακά φωτοβολταϊκά panel.

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR