W ciągu zaledwie dekady perowskity przebyły drogę od niszowego tematu badawczego do najszybciej rozwijającej się technologii fotowoltaicznej w historii, osiągając sprawność laboratoryjną na poziomie blisko 28% i detronizując krzem krystaliczny w środowiskach testowych. 

Obecnie perowskity należą do najczęściej badanych tematów naukowych regularnie pojawiając się w prestiżowych czasopismach takich jak Nature i Science.

Fenomen perowskitów w światowej nauce

W 1839 roku perowskit jako materiał po raz pierwszy został opisany przez niemieckiego mineraloga Gustava Rose, który nazwał go na cześć ministra spraw wewnętrznych, rosyjskiego badacza Lwa Perowskiego. Przełom nastąpił jednak około 2012 roku, kiedy kluczowe publikacje wykazały nadzwyczajne właściwości optoelektroniczne, czyniąc perowskity realną konkurencją dla tradycyjnych półprzewodników nieorganicznych, takich jak krzem. Od tamtej pory jest to najszybciej poprawiająca się technologia fotowoltaiczna – w ciągu dziesięciu lat sprawność laboratoryjna ogniw wzrosła z 10% do rekordowych 27,9%, przewyższając tym samym wyniki krzemu krystalicznego. 

Dotychczasowy dynamiczny rozwój oraz potencjał technologii sprawiły, że w ostatnich latach przeznaczono znaczne środki na rozwój projektów badawczych, zwłaszcza w Chinach i USA, ale na tym polu swoje sukcesy odnoszą także polscy naukowcy w krajowych ośrodkach badań. Perowskity to technologia typu „Deep Tech”, wymagająca wieloletnich badań, jednak znajdują się już u progu pierwszych wdrożeń. Globalny wyścig badaczy skupia się teraz na wyeliminowaniu „pięty Achillesa” tej technologii.

Największą barierą pozostaje sama stabilność materiałów perowskitowych. Kontakt z wilgocią, tlenem, promieniowaniem UV czy niektórymi rozpuszczalnikami prowadzi do ich stopniowej degradacji – tłumaczy dr hab. inż. Katarzyna Matras-Postołek, prof. PK, prodziekan Wydziału Inżynierii i Technologii Chemicznej Politechniki Krakowskiej. 

1,41% PKB na badania i rozwój w Polsce. Naukowcy alarmują i zapowiadają protest

Nowa era w wielu dziedzinach

Naukowcy nie mają jednak wątpliwości, że rozwiązanie występujących problemów pozwoli perowskitom odegrać w nadchodzącej dekadzie kluczową rolę nie tylko w nowoczesnej energetyce, ale także w sektorze obronnym czy biomedycynie.

Określenie „perowskity” obejmuje bardzo szeroką grupę związków chemicznych, często również w formie nanomateriałów, które łączy charakterystyczna struktura krystalograficzna. W zależności od składu chemicznego mogą one wykazywać różnorodne właściwości i znajdować zastosowanie w wielu technologiach – mówi Katarzyna Matras-Postołek.

Perowskity mogą odegrać istotną rolę w wielu dziedzinach, oferując funkcjonalności nieosiągalne dla tradycyjnych półprzewodników. W energetyce ich zastosowanie obejmuje niezwykle wydajną konwersję światła sztucznego i niskiego oświetlenia wewnątrz pomieszczeń, co pozwala odzyskiwać część energii oraz umożliwia budowę ogniw tandemowych, które w połączeniu z krzemem pozwalają uzyskać sprawność przekraczającą 30%. Pozwala to ominąć ograniczenie ogniw jednozłączowych, gdzie 33% stanowi fizyczny limit sprawności.

Upgrade ogniw krzemowych o dodatkowe złącze perowskitowe w konsekwencji doprowadzi do obniżenia kosztu energii, ale ważniejsza jest możliwość wytworzenia w ten sposób większej ilości energii. Żyjemy w czasach, gdzie zapotrzebowanie energetyczne cały czas rośnie, więc to pozwoli na bardziej efektywne wykorzystanie powierzchni przeznaczonych pod instalacje solarne – mówi dr Konrad Wojciechowski, pracownik Politechniki Wrocławskiej, wcześniej dyrektor naukowy Saule Technologies. 

W sektorze obronnym technologia ta umożliwia stworzenie lekkich, elastycznych paneli drukowanych na foliach, które można zintegrować z mundurem żołnierza, nakleić na dowolne powierzchnie lub wykorzystać w formie mobilnych mat fotowoltaicznych do zasilania dronów i systemów autonomicznych. 

Potencjał adaptacyjny jest bardzo szeroki i właśnie właściwość związana z elastycznością jest istotna. Parametry techniczne i sprawności na elastycznych foliach cały czas się poprawiają – zapewnia dr Konrad Wojciechowski.

Jednak perowskity znajdują zastosowanie nie tylko w produkcji energii. Naukowcy wskazują na możliwość zastosowania ich jako czułych sensorów wykrywających gazy toksyczne i materiały wybuchowe, komponenty noktowizji, dalmierzy laserowych i systemów celowniczych, a nawet jako nowoczesny, nietoksyczny zamiennik tradycyjnych zapłonników. 

Czy Polska wykorzysta swoją szansę? 

W Europie przedsięwzięć komercyjnego rozwoju perowskitów jest znacznie mniej niż w Chinach i USA. Mimo to Polska zaznaczyła swoją obecność w tym temacie osiągając sukcesy niewspółmierne do finansowania nauki, czy obecności odpowiednich funduszów inwestycyjnych. Powtarzają się opinie, że mogło być to „szczęście” lub „zrządzenie losu”, a nie konsekwencja systemowego planowania. 

Aby to zmienić, konieczne jest strukturalne zaangażowanie państwa, bo tylko ono jest w stanie przejąć rolę stabilizatora, który umożliwi wykorzystanie zebranego know-how przez ponad dziesięć lat pracy polskich naukowców. W Polsce rozwojem technologii perowskitowych zajmuje się obecnie kilkanaście instytucji naukowych, w tym: Politechnika Krakowska i Politechnika Wrocławska. 

Perowskity mają potencjał, aby w nadchodzącej dekadzie odegrać kluczową rolę w nowoczesnych systemach energetycznych, sensorach i technologii obronnej. Droga do pełnego zastosowania jest jednak jeszcze daleka. Wymaga systematycznych badań zarówno podstawowych, jak i aplikacyjnych, a także ścisłej współpracy nauki, przemysłu i sektora obronnego – wskazuje Katarzyna Matras-Postołek. 

Fundamentalną kwestią pozostaje, czy Polska będzie wtedy ich importerem, czy dostawcą kluczowych rozwiązań w europejskim łańcuchu dostaw. 

Zobacz też: Perowskity w służbie obronności? Columbus proponuje nowy kierunek dla technologii

Źródła: Researchgate, BazTech, Platforma Otwartej Nauki, Sieć Badawcza Łukasiewicz, Wiadomości Chemiczne, własne

Fot. Politechnika Krakowska / arch. światOZE.pl 

Artykuł stanowi utwór w rozumieniu Ustawy 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych. Wszelkie prawa autorskie przysługują swiatoze.pl. Dalsze rozpowszechnianie utworu możliwe tylko za zgodą redakcji.