Perowskitowe ogniwa PV będą w pełni skalowalne, ale nadal nie znamy technologii, która to umożliwi

Ogniwa fotowoltaiczne wykonywane z perowskitów mogą się poszczycić rekordowymi wydajnościami konwersji. Badacze z National Renewable Energy Laboratory, prowadzonego przez amerykański Departament Energii, wskazują, że systemy te są coraz bardziej stabilne i wytrzymałe, pozostaje jednak kwestia skalowalności procesu ich produkcji.

„Technologia ta jest skalowalna” – powiedział Kai Zhu. „Musimy jednakże jeszcze pokazać, że systemy wielkiej skali będą równie wydajne poza laboratorium, jak w nim”.

Zhu jest jednym z współautorów artykułu w „Nature Review Materials” poświęconego skalowaniu ogniw PV z perowskitów. Wraz z nim nad publikacją pracowali: Zhen Li, Talysa Klein, Dong Hoe Kim, Mengjin Yang, Joseph Berry oraz Maikel van Hest. Wszyscy autorzy działają w NREL.

Fotowoltaika od Columbus Energy

Obecnie większość ogniw PV na rynku wykonuje się z krzemu. Perowskitowe ogniwa mają ogromną szansę podbić rynek z powodu szeregu zalet – są wydajniejsze i przede wszystkim tańsze. Rekordowa wydajność konwersji dla tego rodzaju ogniwa fotowoltaicznego wyniosła 22,7%.

Problemem jest jednak to, że wydajność ogniwa spada wraz z jego wielkością. Wynika to z wielu czynników, głównie z niejednorodnego pokrycia substratu związkami chemicznymi formującymi poszczególne warstwy perowskitowego ogniwa PV. Dodatkowo, jeśli będziemy produkować niewielkie ogniwa PV, to wydajność całych modułów o nie opartych także będzie mniejsza, ponieważ w szczelinach pomiędzy ogniwami nie zachodzi konwersja, a co za tym idzie energia ta jest tracona.

Produkcja ogniw perowskitowych wydaje się bardzo prosta. Wystarczy nanieść na substrat związki chemiczne i pozwolić się im skrystalizować po odparowaniu rozpuszczalnika. W warunkach laboratoryjnych do nanoszenia chemikaliów używa się najczęściej spin-coaterów (powlekarek obrotowych). Urządzenia te pozwalają na uzyskanie najwyższej wydajności konwersji, jednakże ta metoda słabo nadaje się do produkcji przemysłowej. Nie dość, że około 90% nanoszonego materiału jest tracone, to podłoża nie mogą być zbyt duże – maksymalna wielkość wyprodukowanego w ten sposób ogniwa to około 10 cm x 10 cm.

Naukowcy z NREL pracują nad szeregiem nowych technik, które umożliwiłyby nanoszenie tych materiałów na substraty w łatwiejszy i tańszy sposób, by umożliwić lepsze skalowanie technologii perowskitowych ogniw PV i wprowadzenie ich do produkcji. Analizowane są trzy metody:

  • tzw. powlekanie ostrzowe, czyli technika, która polega na rozprowadzaniu materiału za pomocą ostrza; tego rodzaju proces łatwo adaptuje się do powlekania materiałów z rolki, na elastycznych substratach etc., co sprawia, że idealnie nadaje się ona do produkcji ogniw perowskitowych; dodatkowo metoda ta sprawia, że o wiele mniej materiału jest marnowane niż w przypadku spin-coatingu,
  • pokrywanie metodą slot-die – technika ta nie jest jeszcze dobrze przebadana, ale wszystko wskazuje na to, że jest mniej wydajna niż powlekanie ostrzowe, ale pozwala na produkcję o wiele bardziej powtarzalnych struktur,
  • drukowanie – system ten działa analogicznie jak drukarka atramentowa i pozwala na nanoszenie materiałów chemicznych cienką warstwą ma powierzchni substratu; tego rodzaju metody wykorzystywane są już do produkcji ogniw PV na skalę laboratoryjną, jednakże nie testowano jeszcze, na ile druk nadaje się do produkcji ogniw PV metodami przemysłowymi.

Istnieją także inne metody produkcji, takie jak elektrodepozycja, ale dotychczasowo nie zbadano możliwości bezpośredniej depozycji tą metodą materiałów z grupy perowskitów.

Niezależnie od ogromu wyzwań, naukowcy z NREL robią ogromne postępy w zakresie skalowania technologii produkcji ogniw perowskitowych. Jednym z obszarów, na którym skupiają szczególną uwagę, jest także analiza tego, jaka architektura ogniwa będzie idealna do skalowania.

Większość szacunków wskazuje, że perowskitowe ogniwa fotowoltaiczne będą mogły generować prąd taniej niż wszystkie inne systemy PV. Analizy te oparte są najczęściej o założenie, że największych kosztów podczas ich produkcji wymagają substraty oraz elektrody. Wiele jednak wskazuje na to, że innowacje w tym zakresie pozwolą na zmniejszenie i tych kosztów.

źródło: techexplore.com