Že leta so bile perovskitne sončne celice najljubša dražljaj v svetu obnovljivih virov energije. So poceni. Enostavno jih je narediti. V laboratoriju podirajo rekorde učinkovitosti. Sliši se popolno, kajne? Obstaja ulov – velik. Razpadejo. hitro
Perovskitne sončne celice se zaradi izpostavljenosti zunanji vlagi zelo hitro poškodujejo. Prekomerna vlaga in toplota skupaj s sončno svetlobo povzročita, da se večina perovskitnih celic razgradi v zgolj tednih ali mesecih po prvi izpostavljenosti. Perovskitne sončne celice niso bile obetavna sončna tehnologija, kot so se nekoč zdele, in ne bodo izpolnjevale standardnih zahtev glede kakovosti za solarni izdelek, ki se lahko uporablja na terenu. Zato, čeprav je bilo veliko zanimanja in javnosti o perovskitnih sončnih celicah, danes ni komercialnih priložnosti za to novo tehnologijo (npr. strehe in velike komunalne solarne instalacije).
Vse več znanstvenikov in inženirjev za materiale, ki delajo v novih podjetjih v razvoju, verjame, da so identificirali možen nov material, ki bo zagotovil način za reševanje težav z degradacijo, povezanih s perovskitnimi sončnimi celicami, in sicer grafen. Grafen ima nekaj zelo različnih fizikalnih lastnosti, ki mu omogočajo, da se izogne težavam, povezanim z drugimi materiali sončnih celic.
Kaj je tako posebnega na listu debeline enega atoma?
Grafen je v bistvu ena plast ogljikovih atomov, razporejenih kot piščančja žica. Je skoraj popolnoma prozoren, tanjši od vsega, kar si lahko zamislite, a je približno 200-krat močnejši od jekla. Prav tako je najboljši električni prevodnik, kar si jih je narava kdaj zamislila – vsaj v laboratorijskih nastavitvah.
Zdaj pa je pameten del. Raziskovalci so ugotovili, da lahko položite grafen na perovskitno celico ali pa majhne koščke zmešate v plasti, ki obdajajo perovskit. Ta tanka karbonska odeja naredi tri uporabne stvari hkrati.
Prvič, deluje kot zrakotesen dežni plašč. Kisik in vodna para se ne moreta pretihotapiti skozi rešetko grafena. Samo to ustavi veliko kemičnih reakcij, ki ubijajo perovskitne celice. Nekatere ekipe so videle, da so nezaščitene celice umrle v nekaj sto urah, medtem ko so tiste, prevlečene z grafenom, brnele na tisoče ur.
Drugič, grafen je neverjeten pri odvajanju električnih nabojev. Znotraj delujoče sončne celice sončna svetloba ustvari pare negativno nabitih elektronov in pozitivno nabitih "lukenj". Če se predolgo zadržujejo znotraj perovskita, povzročajo težave – potratno se rekombinirajo ali sprožijo stranske reakcije. Supermoč grafena zajema te naboje in jih hitro premika ven, kar ščiti celico in rahlo poveča njeno izhodno moč.
Tretjič – in to je presenetilo veliko ljudi – grafen naredi perovskit fizično bolj trd. Izpostavljenost kristala sončni svetlobi podnevi, ki ji sledi ohlajanje ponoči, ustvari ponavljajoč se cikel segrevanja in ohlajanja z zelo minimalnim raztezanjem in to ponavljajoče se upogibanje bo nazadnje povzročilo mikroskopske razpoke vzdolž meja zrn sladkornega kristala zaradi enakovrednosti zmrzovanju in odmrzovanju na pločnikih itd. Grafen je neverjetno tog material, ki bo povzročil manjše nastajanje razpok, ker podpira šibka področja v kristalni strukturi. Če razpoka nastane, ne bo potovala tako hitro skozi kristalno strukturo.
Od laboratorijskih zanimivosti do nečesa, kar skoraj lahko kupite
Še ne dolgo nazaj je bilo vse to čisto akademsko. Doktorski študent bi porabil mesece za izdelavo majhne, ročno izdelane celice iz perovskita, previdno položil kos grafena na vrh in nato izvedel nekaj sto ur testov. Delovalo je, vendar nihče ni vedel, kako to narediti v resničnem svetovnem merilu.
To se spreminja. Inženirji so odkrili načine za laminiranje vnaprej izdelanih grafenskih plošč na perovskitne module, široke nekaj centimetrov. Drugi gojijo grafen neposredno na celico z uporabo nizkotemperaturnih metod. In nekaj najbolj praktičnega dela vključuje mešanje sesekljanih fragmentov grafena – včasih imenovanih grafenske nanoploščice – v gnjecave plasti, ki jih je mogoče natisniti nad in pod perovskitom. Ta pristop ne potrebuje popolnega, neprekinjenega lista grafena. Neurejena mreža drobnih grafenskih kosmičev vam še vedno prinese večino prednosti, za delček cene.
Nekaj majhnih podjetij, večinoma na Kitajskem in v Evropi, tiho gradi pilotne proizvodne linije z uporabo teh idej. Ne napovedujejo še velikih številk – industrija je še vedno previdna – vendar se je vzdušje na nedavnih energetskih konferencah spremenilo. Ljudje začenjajo verjeti, da bi to dejansko lahko delovalo zunaj čiste sobe.
Kaj to pomeni za vaš račun za elektriko
Če perovskitne celice, ojačene z grafenom, kdaj pridejo v množično proizvodnjo, postane ekonomija zanimiva. Silikonske plošče so že zdaj poceni – približno 10 do 15 centov na vat – vendar so za njihovo izdelavo potrebne zelo vroče peči, neprijetne kemikalije in trdo steklo. Po drugi strani pa je perovskitne celice mogoče tiskati kot časopis pri skoraj sobni temperaturi. Surovine so obilne in poceni. Potencialni stroški? Nekateri analitiki šepetajo pet centov na vat ali celo manj.
To bi približno prepolovilo ceno sončne energije. Toda tukaj je zanimivo – nihče ne bo kupil plošče, ki po dveh letih odpove. Komunalna podjetja in lastniki stanovanj želijo 25-letne garancije. Brez grafena si perovskit tega ne more niti sanjati. Z grafenom zgodnji prototipi zdaj obdržijo več kot 90 odstotkov svoje prvotne proizvodnje po več tisoč urah neprekinjenega, brutalnega testiranja. To še vedno ni 25 let, vendar je to tisočkratna izboljšava v primerjavi s stanjem, v katerem je tehnologija stala pred samo petimi leti.
Več kot le toge plošče
Še en razlog, zakaj so ljudje navdušeni: prilagodljivost. Silicijeve rezine se zlomijo, če jih narobe pogledate. Toda perovskit-grafenske plasti je mogoče natisniti na tanke plastične ali kovinske folije. To odpira divje nove uporabe. Predstavljajte si sončne celice, laminirane na ukrivljeno streho električnega avtomobila, všite v nahrbtnik za polnjenje telefona ali ovite okoli kril drona. Nekateri arhitekti se poigravajo s polprosojnimi okni iz perovskita, ki ustvarjajo moč, hkrati pa prepuščajo svetlobo.
Nič od tega ni več znanstvena fantastika. Prototipi so preživeli na tisoče ovinkov, ne da bi se utrnili. Kombinacija učinkovitosti perovskita ter žilavosti in prevodnosti grafena odpira aplikacije, ki se jih silicij preprosto ne more dotakniti.
Še vedno je treba delati, vendar je pot vse bolj jasna
Bodimo iskreni – grafen sam po sebi ni popoln. Izdelava visokokakovostnega enoslojnega grafena dosledno in poceni je še vedno težje, kot se sliši. Cene so v zadnjem desetletju močno padle, vendar še niso dovolj nizke za ugodne osnovne solarne panele. In nihče ni dokazal, da lahko grafen-perovskitna plošča res zdrži 20 let na prostem. Takšni podatki zahtevajo čas.
Kljub temu je zagon resničen. Več kot sto družin patentov zdaj pokriva kombinacije grafen-perovskit. Denar za naložbe teče v startupe, ki so se včasih smejali na predstavitvenih sestankih. Celo nekateri veliki izdelovalci silicijevih plošč tiho financirajo raziskave in razvoj perovskita, samo v primeru, da bi stara tehnologija preskočila.
To ni garancija. Toda to je najbolj obetaven znak perovskitnih sončnih celic v zadnjem času.
