Perowskity – nowa technologia poza rekordami efektywności

Perowskity. Innowacje technologiczne w zakresie fotowoltaiki koncentrują się obecnie na obniżeniu kosztów produkcji, zwiększeniu wydajności oraz zmniejszeniu strat na wszystkich etapach procesu produkcyjnego.

Główne technologie spotykane na rynku fotowoltaiki, takie jak pasywny emiter typu p i ogniwo z pasywacją spodnią (PERC), powoli osiągają jednak swoje fizyczne granice przełożenia na efektywność. Dlatego przemysł coraz mocniej koncentruje się na optymalizacji innowacyjnych nowych technik.  Także na poszerzaniu zastosowań nowych materiałów i technologii ‒ takich, jak perowskity.

Efektywność perowskitowych ogniw fotowoltaicznych stale wzrastała w ciągu ostatnich 10 lat. Materiały perowskitowe używane w technologii PV wciąż znajdują się na wczesnym etapie rozwoju. Poprawa ich sprawności z 3,8% w 2009 r. do około 23% w 2018 r. jest zauważalnym osiągnięciem. Ta krzywa wzrostu sprawności jest znacznie bardziej stroma w porównaniu z każdą inną nową technologią PV. Choć dane wciąż odnoszą się do wyników testów laboratoryjnych, a nie do produkowanych masowo komercyjnych ogniw.  Wskazują jednak, że perowskity mogą mieć wielki wpływ na przyszłość przemysłu fotowoltaicznego.

Produkcja perowskitów

Technologia perowskitowych ogniw fotowoltaicznych (PSC) wykazuje wiele podobieństw z innymi tak zwanymi ogniwami fotowoltaicznymi trzeciej generacji. Pod względem konstrukcji i procesów zachodzących w ogniwach są one szczególnie zbliżone do ogniw uwrażliwianych barwnikami (DSSC) i ogniw organicznych (OSC lub ogniwa OPV). Jednak podobieństwo to jedynie częściowo tłumaczy szybki postęp PSC, ponieważ każda z wymienionych technologii jest opracowywana niezależnie.

Istnieje więcej niż jeden proces wytwarzania modułów PSC. W najprostszej metodzie PSC można wytwarzać przez nanoszenie na nośnik z rolki na rolkę. Wykorzystując przy tym dobrze znane technologie, takie jak matryce, nanoszenie natryskowe, drukowanie atramentowe lub odparowanie. Metody te zasadniczo eliminują potrzebę wytwarzania płytek i innych powiązanych procesów stosowanych w produkcji ogniw z krzemu krystalicznego (c-Si).

Inną zaletą produkcji perowskitów jest to, że PSC mogą być stosowane zarówno w formie jedno-, jak i wielo-złączowych (tandemowych). Forma jednozłączowa jest najprostszą technologią, opartą o pojedyncze warstwy materiału perowskitowego, pozwalające uzyskać efekt fotoelektryczny. W tej formie PSC może osiągnąć przełożenie na sprawność nawet do 23%. W celu zwiększenia efektywności do 27% i więcej, wiele działających obecnie instytutów badawczych i start-upów bada możliwości zastosowania ogniw tandemowych. Jest to rodzaj ogniwa wielofunkcyjnego, które łączy ogniwa perowskitowe (PSC) używane jako dodatkowa warstwa absorpcyjna ze standardowymi ogniwami krzemowymi (c-Si) lub cienkowarstwowymi materiałami, takimi jak te spotykane w modułach CIGS czy CdTe.

Zalety i ograniczenia technologii

Zalety technologii perowskitów są jawnie widoczne. Materiały zawierające PSC są stosunkowo tanie w produkcji w porównaniu do krzemu krystalicznego, zwłaszcza monokrystalicznego typu p i typu n. Wynika to z faktu, że technologia ta nie wymaga użycia polikrzemu, pasty srebrnej i innych materiałów stosowanych w standardowych modułach c-Si. Może osiągać wyższą sprawność ze względu na wydłużenie drogi dyfuzji nośnika wewnątrz materiału. Istnieje także możliwość wyboru koloru (pasma absorpcji) panelu, ze względu na możliwość szerokiej regulacji odstępów pomiędzy pasmami materiału. PSC mogą działać w technologii jedno i wielozłączowej (w połączeniu z c-Si i cienkim filmem). Nadają się też do wielu zastosowań w różnych segmentach rynku. Takich jak zintegrowane instalacje fotowoltaiczne (BIPV), a także elektrownie fotowoltaiczne na skalę użyteczności publicznej.

Jednak technologia PSC nadal wymaga dodatkowych ulepszeń w kilku ważnych obszarach, takich jak silna degradacja w obecności wilgoci, tlenu, światła UV i wysokich temperatur. Należy również ograniczyć wpływ toksyczności ołowiu i cyny. Materiały te są wykorzystywane podczas produkcji PSC i mogą narażać ludzi na ekspozycję podczas eksploatacji i po jej zakończeniu.

Innym ważnym obszarem wymaganej poprawy jest rozmiar ogniwa. Wspomniane rekordowe poziomy efektywności wynoszące 18–23%, które są stale zachwalane przez producentów, zostały osiągnięte poprzez użycie bardzo małych ogniw. Podczas gdy komórki o rozmiarze zgodnym z faktycznie stosowanymi komercyjnie wciąż wykazują znacznie niższy poziom sprawności wynoszący 10–12%.

Technologia perowskitów nadal musi więc wykazać, że jest w stanie spełnić wszystkie stawiane przed nią wymagania. Wyjść od testów ogniw w placówkach badawczych do masowej produkcji modułów dla potrzeb rynku.

Zastosowania technologii i jej przewidywana przyszłość

Perowskity potencjalnie oferują więcej zalet niż komórki c-Si w BIPV. Komórki PSC mogą być kolorowe lub mieć różne rozmiary. Powstałe moduły mogą być przy tym półprzezroczyste, czy też elastyczne i zakrzywione. Gdy weźmiemy to pod uwagę, PSC wydają się bardziej odpowiednią technologią do zastosowań w BIPV niż ogniwa z krystalicznego krzemu. Są w stanie tylko częściowo powielić te zalety materiałowe. Ponieważ wiele projektów BIPV jest instalowanych w budynkach o prestiżowej estetyce, wrażliwość na wysoką cenę pozostaje niższa niż w standardowych instalacjach P. Dlatego dają one korzystniejsze warunki dla wczesnego przyjęcia technologii perowskitowej.

Konkurencyjność technologii PSC w zastosowaniu jej w instalacjach dachowych czy naziemnych wciąż wymaga rozwoju materiałów. Rozwoju ukierunkowanego na osiągnięcie znacznie wyższej efektywności w konstrukcjach tandemowych lub wielofunkcyjnych. Także znaczną redukcję kosztów produkcji w celu wejścia na rynek komercyjny. W ostatnim raporcie na temat perowskitów („Perovskite Solar Cells Report”), opublikowanym w styczniu 2020 r., IHS Markit, międzynarodowy zespół analityków i ekspertów branżowych, przewiduje, że przemysł będzie gotowy do komercjalizacji i masowej produkcji ogniw PSC (jedno- i wielozłączowych) w ciągu najbliższych trzech do pięciu lat.

W chwili obecnej na całym świecie istnieje tylko kilka linii pilotażowych produkujących PSC i tylko kilka działających demonstracyjnych instalacji. Dane na temat mocy perowskitów są ograniczone do tych projektów, a IHS Markit szacuje, że całkowita moc zainstalowana nie przekracza 20–30 MW globalnie. Nie zmienia to faktu, że wielu producentów sprzętu PV oraz instytucje badawcze inwestują w rozwój technologii PSC. Wszystko to w celu zwiększenia poziomu jej efektywności i eliminacji obecnych wad materiałowych powodujących niestabilność i degradację komórek perowskitowych.

Niektóre firmy ogłosiły już publicznie, że rozpoczną produkcję komercyjną ogniw PSC w 2020 r. Dobrym przykładem tego zjawiska jest brytyjskie Oxford PV. Nawiązali współpracę ze szwajcarskim dostawcą sprzętu Meyer Burger. Po to aby wyprowadzić technologię ogniw tandemowych PSC z laboratoriów w celu rozpoczęcia produkcji komercyjnej w tym roku. Na rodzimym rynku działa z kolei firma Saule Technologies. Rozbudowuje obecnie swoje linie produkcyjne w Polsce, o czym wspominaliśmy już we wpisie na naszym Blogu :

https://u329689.stronazen.pl/innowacje-i-technologia/polskie-innowacyjne-wynalazki-na-rynku-pv-szyby-okienne-i-nadruki-fasadowe-generuja-energie/

Źródła

PV Magazine (03/2020) _ www.pv-magazine.com/2020/03/24/perovskite-technology-beyond-efficiency-records/

Fotografia : iStock