Ogniwa Perowskitowych są obecnie jedną z najbardziej obiecujących technologii w dziedzinie odnawialnych źródeł energii. Charakteryzują się wysoką wydajnością przetwarzania energii słonecznej na elektryczną przy stosunkowo niskich kosztach produkcji. W niniejszym artykule przybliżymy budowę i zasadę działania ogniw perowskitowych, ich zalety i wady w porównaniu do tradycyjnych ogniw fotowoltaicznych oraz perspektywy zastosowania w przyszłości.
Kluczowe wnioski:- Ogniwa perowskitowe cechuje wysoka sprawność przekraczająca 20%
- Technologia ta jest przyjazna środowisku i tania w produkcji
- Ogniwa perowskitowe mają potencjał, by zrewolucjonizować rynek fotowoltaiki
- Ich wadą jest na razie stosunkowo krótka żywotność
- W najbliższych latach można się spodziewać szerszego wdrożenia komercyjnego tych ogniw
Budowa Ogniw Perowskitowych
Ogniwa perowskitowe składają się zazwyczaj z kilku warstw naniesionych na podłoże, takie jak szkło lub folia polimerowa. Podstawowym materiałem aktywnym jest w nich perowskit - związek chemiczny o specyficznej strukturze krystalicznej.
Najczęściej stosowaną odmianą perowskitu w ogniwach fotowoltaicznych jest metyloamoniowy ołów halogenkowy CH3NH3PbX3. Warstwa perowskitu nanoszona jest pomiędzy dwiema elektrodami - anodą, która przewodzi dodatnio naładowane dziury oraz katodą przewodzącą elektrony.
Jako materiały elektrod wykorzystuje się m.in. tlenek tytanu TiO2, tlenek cyny SnO2, węgiel szklisty czy fullereny. Cała struktura zamykana jest od góry warstwą kontaktową, zwykle złotą lub glinową, która odprowadza wygenerowany prąd.
Rodzaje ogniw perowskitowych
Wyróżnia się dwa podstawowe typy konstrukcji ogniw opartych na perowskitach:
- - o normalnej budowie z perowskitem umieszczonym na podłożu
- - o odwróconej (inverse) budowie, gdzie perowskit jest na wierzchu
Każda z tych konfiguracji ma swoje zalety - typ inverse charakteryzuje się na przykład większą stabilnością i odpornością na działanie czynników zewnętrznych.
Zasada działania Ogniw Perowskitowych
Ogniwa Perowskitowe działają na podobnej zasadzie, co tradycyjne ogniwa fotowoltaiczne krzemowe, czyli poprzez konwersję energii światła słonecznego w energię elektryczną. Gdy promieniowanie słoneczne pada na ogniwo, fotony są pochłaniane przez warstwę perowskitu, powodując wzbudzenie elektronów do wyższych poziomów energetycznych.
Uwolnione w ten sposób elektrony i dziury są rozdzielane przez pole elektryczne wbudowane w strukturę ogniwa i kierowane do odpowiednich elektrod, gdzie następuje wygenerowanie prądu stałego. Napięcie powstające między elektrodami można wykorzystać do zasilania różnych urządzeń elektrycznych.
Czynniki wpływające na wydajność
Na sprawność ogniw perowskitowych i ilość produkowanej energii elektrycznej wpływa szereg czynników, w tym:
- - skład chemiczny związku perowskitowego
- - budowa i geometria ogniwa
- - jakość zastosowanych elektrod
- - natężenie i widmo padającego promieniowania słonecznego
Optymalizując te parametry można podnosić wydajność konwersji powyżej 20%, a w warunkach laboratoryjnych nawet powyżej 25%.
Czytaj więcej: Jak działa panel fotowoltaiczny: zasada działania paneli słonecznych
Zalety Ogniw Perowskitowych
Ogniwa perowskitowe, w porównaniu do tradycyjnych technologii fotowoltaicznych, posiadają szereg zalet, które sprawiają, że są postrzegane jako jedna z najbardziej obiecujących opcji na przyszłość. Do ich głównych atutów zaliczyć można:
| - wysoką sprawność konwersji promieniowania słonecznego na energię elektryczną, przekraczającą 20% |
| - stosunkowo niskie koszty produkcji, dzięki prostej technologii wytwarzania |
| - możliwość nanoszenia elastycznych warstw perowskitu na różnorodne podłoża |
| - wysoką absorpcję promieniowania słonecznego i szeroki zakres pochłanianych długości fal światła |
Ogniwo Perowskitowe łączy zatem wysoką wydajność z niskimi nakładami potrzebnymi do produkcji, co sprawia, że technologia ta ma szanse konkurować z dotychczas dominującymi na rynku krzemowymi panelami fotowoltaicznymi.
Wady Ogniw Perowskitowych
Ogniwa perowskitowe mają również pewne wady i ograniczenia, które wciąż stanowią wyzwanie do pokonania na drodze do szerszego komercyjnego zastosowania. Należą do nich przede wszystkim:
- - stosunkowo krótki okres użytkowania i podatność na degradację pod wpływem czynników zewnętrznych, takich jak wilgoć czy promieniowanie UV
- - zawartość toksycznego ołowiu w typowych odmianach perowskitów stosowanych w ogniwach
- - mniejsza stabilność i trwałość w porównaniu do sprawdzonych paneli krzemowych
Dlatego też wiele prac badawczych skupia się obecnie na poprawie stabilności ogniw perowskitowych i opracowaniu bardziej odpornych struktur, które mogłyby posłużyć przez całe lata.
Zastosowania Ogniw Perowskitowych
Ze względu na swoje zalety, w tym elastyczność i niskie koszty produkcji, ogniwa perowskitowe mogą znaleźć szerokie spektrum zastosowań. Technologia ta jest przede wszystkim obiecującą alternatywą dla tradycyjnych krzemowych paneli fotowoltaicznych.
Ogniwa perowskitowe posiadają potencjał, by w perspektywie kilku-kilkunastu lat wyprzeć krzem jako dominujący materiał w fotowoltaice.
Ponadto elastyczne, cienkie struktury oparte na perowskicie mogą być integrowane z budynkami jako część dachów, ścian, okien czy nawet elementów wykończeniowych. Ogniwa te można również umieszczać na tkaninach, torbach lub plecakach. Zastosowanie takich rozwiązań pozwoliłoby na zbieranie energii słonecznej w olbrzymiej skali.
Ogniwa perowskitowe w elektronice
Oprócz fotowoltaiki, perowskity mają też perspektywy zastosowania w innych gałęziach elektroniki, jako warstwy aktywne w wyświetlaczach czy diodach emitujących światło LED. Trwają obecnie intensywne prace nad wykorzystaniem tych materiałów w urządzeniach optoelektronicznych nowej generacji.
Przyszłość Ogniw Perowskitowych
Wszystko wskazuje na to, że w nadchodzących latach będziemy obserwować dalszy intensywny rozwój technologii opartych na perowskitach. Opracowywane są nowe modyfikacje tych materiałów, aby poprawić ich stabilność i wytrzymałość w długim okresie użytkowania. Trwają prace nad eliminacją toksycznego ołowiu i zastąpieniem go np. cyną.
Oczekuje się również rozwoju dopasowanych do nich wydajnych technik drukowania warstw perowskitowych, a także integracji z elastycznymi podłożami. Wszystko to przyspieszy proces wdrażania ogniw perowskitowych do komercyjnej produkcji.
W najbliższych 2-5 latach powinno dojść do pierwszych instalacji demonstracyjnych i pilotażowych wykorzystujących te ogniwa w budynkach. Jeszcze kolejną dekadę zajmie najpewniej pełna komercjalizacja technologii i wyparcie paneli krzemowych. Niemniej przyszłość fotowoltaiki należy właśnie do Ogniw Perowskitowych.
Podsumowanie
Ogniwa Perowskitowe to nowatorska technologia w dziedzinie pozyskiwania energii słonecznej, która w ostatnich latach przyciąga uwagę naukowców i inwestorów. Jej zalety to przede wszystkim wysoka sprawność przekraczająca 20%, niskie koszty produkcji oraz możliwość uzyskiwania elastycznych paneli słonecznych.
Mimo pewnych wad, takich jak ograniczona trwałość, Ogniwa Perowskitowe mają potencjał, by w perspektywie kilku-kilkunastu lat dominować na rynku fotowoltaiki. Kluczowe znaczenie ma poprawienie stabilności tych ogniw i opracowanie odmian niestosujących szkodliwego ołowiu.
Elastyczność Ogniw Perowskitowych otwiera perspektywy ich szerokiej integracji z budynkami i urządzeniami transportu osobistego. Trwają też prace nad wykorzystaniem perowskitów w nowoczesnych diodach LED i wyświetlaczach.
Wszystko wskazuje na to, że już w ciągu kilku lat zobaczymy pierwsze komercyjne instalacje opartych na tej technologii. W dłuższej perspektywie Ogniwa Perowskitowe mają potencjał całkowicie wyprzeć krzemowe panele słoneczne. To fascynująca wizja przyszłości fotowoltaiki.
