Spis treści
- Wprowadzenie
- Czym Są Ogniwa Słoneczne Perowskitowe?
- Zalety Ogniw Słonecznych Perowskitowych
- Wyzwania Techniczne w Praktycznych Zastosowaniach Ogniw Perowskitowych
- Najnowsze Postępy Badawcze w Ogniwach Słonecznych Perowskitowych
- Potencjalne Zastosowania Ogniw Słonecznych Perowskitowych
- Podsumowanie
Wprowadzenie
Wzrost globalnego zapotrzebowania na energię odnawialną sprawił, że ogniwa słoneczne perowskitowe zyskały znaczną uwagę jako nowa technologia fotowoltaiczna. Te ogniwa trzeciej generacji, oparte na materiałach o strukturze perowskitowej, wykazują ogromny potencjał dzięki swojej wysokiej wydajności, niskim kosztom i różnorodnym zastosowaniom. Celem tego artykułu jest dostarczenie kompleksowego przeglądu ogniw słonecznych perowskitowych, obejmującego ich podstawowe koncepcje, zalety, wyzwania techniczne, najnowsze postępy badawcze i potencjalne zastosowania, oferując czytelnikom dokładne zrozumienie tej obiecującej technologii.
Czym Są Ogniwa Słoneczne Perowskitowe?
Ogniwa słoneczne perowskitowe to rodzaj ogniw słonecznych trzeciej generacji, które wykorzystują materiały o strukturze perowskitowej. Perowskity to klasa materiałów charakteryzujących się specyficzną strukturą krystaliczną, zazwyczaj reprezentowaną wzorem chemicznym ABX₃. W tym wzorze 'A' i 'B' to dwa różne kationy metali, a 'X' to anion, razem tworząc unikalną sieć krystaliczną. W kontekście ogniw słonecznych perowskitowych, 'A' i 'B' są zwykle zbudowane z cząsteczek organicznych i halogenków metali. Ta kombinacja prowadzi do powstania materiałów o wyjątkowych właściwościach absorbujących światło i elektronicznych, co czyni ogniwa słoneczne perowskitowe obiecującą alternatywą dla tradycyjnych technologii fotowoltaicznych.
Zalety Ogniw Słonecznych Perowskitowych w Porównaniu z Ogniwami Krzemowymi
Ogniwa słoneczne perowskitowe oferują kilka zalet w porównaniu do tradycyjnych ogniw krzemowych, takich jak PERC, TOPCon, IBC i HJT:
- Wysoka Wydajność: Ogniwa słoneczne perowskitowe wykazują wysokie poziomy wydajności. Teoretyczna maksymalna wydajność konwersji ogniw perowskitowych o pojedynczej złączce może osiągnąć nawet 31%, podczas gdy ogniwa perowskitowe wielozłączowe mogą osiągnąć teoretyczne wydajności do 45%, znacznie przekraczając 29,4% limit wydajności ogniw krzemowych.
- Niskie Koszty: Materiały perowskitowe są mniej wrażliwe na zanieczyszczenia, co pozwala na produkcję ogniw o wydajności powyżej 20% z materiałów perowskitowych o czystości około 90%. W przeciwieństwie do tego, krzem wymaga poziomu czystości 99,9999% dla skutecznego wykorzystania. Dodatkowo, produkcja ogniw słonecznych perowskitowych wymaga stosunkowo niższych inwestycji w łańcuch dostaw przemysłowych, potrzebując tylko jednej fabryki w porównaniu do czterech fabryk wymaganych dla ogniw krzemowych (materiał krzemowy, wafle krzemowe, ogniwa i moduły).
- Szeroki Zakres Zastosowań: Ogniwa słoneczne perowskitowe mogą być produkowane w elastycznych, lekkich formach, co czyni je odpowiednimi do różnych zastosowań, w tym fotowoltaiki zintegrowanej z budynkami (BIPV), elastycznych wyświetlaczy, odzieży noszonej, namiotów, przenośnych źródeł zasilania i innych urządzeń przenośnych.
- Doskonała Wydajność w Niskim Oświetleniu: Materiały perowskitowe mogą efektywnie działać w warunkach niskiego oświetlenia, takich jak pochmurne dni czy świt i zmierzch. Dzięki temu ogniwa słoneczne perowskitowe utrzymują dobrą wydajność nawet przy suboptymalnym oświetleniu, co zwiększa ich ogólny potencjał generacji energii.
Wyzwania Techniczne w Praktycznych Zastosowaniach Ogniw Perowskitowych
Pomimo obiecujących cech, ogniwa słoneczne perowskitowe wciąż borykają się z wieloma wyzwaniami technicznymi w praktycznych zastosowaniach:
- Stabilność długoterminowa: Stabilność materiałów perowskitowych w warunkach środowiskowych, takich jak wilgotność, temperatura i ekspozycja na światło, jest poważnym wyzwaniem. Ogniwa słoneczne perowskitowe mogą ulegać degradacji w długotrwałym kontakcie z tymi warunkami. Choć testy laboratoryjne wykazały trwałość około roku, nadal jest to mniej niż w przypadku ogniw krzemowych. Standaryzacja testów stabilności jest obecnie kluczowym obszarem badań.
- Równoważenie wydajności i stabilności: Zwiększenie wydajności konwersji ogniw słonecznych perowskitowych często kompromituje ich długoterminową stabilność. Ogniwa perowskitowe o wysokiej wydajności czasami słabo wypadają w testach długoterminowej stabilności. Znalezienie optymalnej równowagi między wydajnością a stabilnością jest kluczowym celem badań.
- Utrata wydajności w zastosowaniach na dużą skalę: Jednorodność i gęstość warstw perowskitowych w zastosowaniach na dużą skalę są ściśle związane z utratą wydajności. Małe ogniwa perowskitowe produkowane w laboratoriach mogą osiągać wysoką wydajność, ale ta wydajność może spadać, gdy są skalowane do większych, praktycznych zastosowań.
- Niesprecyzowane systemy materiałowe: Produkcja ogniw perowskitowych wiąże się z różnymi wyborami materiałowymi, a system materiałowy nie jest jeszcze w pełni standaryzowany. Zwiększa to niepewność i koszty w procesie produkcji. Różne zespoły badawcze mogą stosować różne kombinacje materiałów perowskitowych, prowadząc do rozbieżności w wynikach wydajności i stabilności.
- Niepewność w procesach krystalizacji: Proces produkcji ogniw perowskitowych obejmuje skomplikowane procesy krystalizacji, a niepewność w tych procesach może wpływać na wydajność i stabilność ogniw. Różne metody i warunki krystalizacji mogą prowadzić do istotnych różnic w jakości i wydajności cienkowarstwowych ogniw perowskitowych.
- Ochrona i zabezpieczenie: Skuteczne techniki enkapsulacji są potrzebne, aby chronić ogniwa perowskitowe przed czynnikami środowiskowymi. Obejmuje to wybór odpowiednich materiałów i procesów enkapsulacji, aby zabezpieczyć ogniwa przed wilgocią i tlenem.
Najnowsze Postępy Badawcze w Ogniwach Słonecznych Perowskitowych
W 2024 roku odnotowano znaczące postępy w badaniach nad ogniwami słonecznymi perowskitowymi. Oto niektóre kluczowe osiągnięcia:
- Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, HUST: Zespół kierowany przez Wei Chena i Zonghao Liu opublikował badania w czasopiśmie Nature, w których zastosowano samodzielnie zmontowaną warstwę hybrydowego materiału transportu dziur (HTM) w celu poprawy wydajności odwróconych ogniw perowskitowych. Materiał ten oferuje ultrawysoką zwilżalność, nanoskalową jednorodną dystrybucję, szybkie ekstrakcję nośników i niskie niepromieniotwórcze rekombinacje. Te właściwości umożliwiają efektywny transport nośników i pasywację defektów na zakopanym interfejsie, znacząco poprawiając wydajność urządzenia. Ostateczne odwrócone ogniwa perowskitowe osiągnęły quasi-stabilną wydajność na poziomie 26,54%, certyfikowaną przez autorytatywną instytucję trzecią, co przekroczyło poprzedni rekord certyfikowanej wydajności.
- Uniwersytet Tsinghua: Zespół pod przewodnictwem Yichena Yi opracował nowy materiał transportu dziur (HTM-T2) w połączeniu z perowskitowymi cienkowarstwowymi filmami, osiągając światowy rekord wydajności na poziomie 26,41% dla ogniw perowskitowych. HTM-T2 można syntetyzować z tanich surowców komercyjnych w kilku krokach, co czyni go bardzo odpowiednim do masowej produkcji. Zespół uzyskał również certyfikowaną wydajność 26,21% dla ogniw PSC o powierzchni 0,1 cm² i 24,88% dla ogniw PSC o powierzchni 1,0 cm².
- Instytut Chemii, Chińska Akademia Nauk: Zespół kierowany przez Yongfang Li i Lei Meng zaproponował strategię lokalnego inżynierii utleniania (LOE) w celu skutecznego kontrolowania i utrzymywania odpowiedniego stanu utlenienia SnO2 w warstwie transportu elektronów. Dodając dichromian amonu jako utleniacz, zrekompensowali nadmiar pustek tlenowych i utworzyli ultra-cienką warstwę półprzewodnika typu p Cr2O3 jako produkt redukcji. Złącze p-n nanometryczne Cr2O3/SnO2 poprawia ekstrakcję ładunków i redukuje niepromieniotwórczą rekombinację na zakopanym interfejsie. Ogniwa słoneczne perowskitowe oparte na α-FAPbI3 z tym ETL osiągnęły PCE na poziomie 25,72% (certyfikowana wydajność 25,41%) i wykazały stabilność operacyjną T90>700h przy ciągłym oświetleniu 1 słońca.
- Uniwersytet Shanghai Jiao Tong: W marcu 2024 roku zespół badawczy opublikował badania w czasopiśmie Science, które pokazują, że ich odwrócone ogniwa perowskitowe utrzymały 98,5% swojej początkowej wydajności po 1000 godzinach przechowywania w 85% wilgotności względnej i 85°C. Dodatkowo, ogniwa te zachowały 98,2% swojej początkowej wydajności po pracy w punkcie maksymalnej mocy przez 1200 godzin w 85°C.
Te osiągnięcia podkreślają znaczny postęp w poprawie wydajności, stabilności i skalowalności ogniw słonecznych perowskitowych, przybliżając je do praktycznej i komercyjnej realizacji.
Potencjalne Zastosowania Ogniw Słonecznych Perowskitowych
Ogniwa słoneczne perowskitowe mają szeroki zakres potencjalnych zastosowań dzięki swoim unikalnym zaletom, takim jak wysoka wydajność, lekkość, elastyczność i półprzezroczystość. Oto niektóre potencjalne przypadki użycia:
- Fotowoltaika Zintegrowana z Budynkami (BIPV): Ogniwa słoneczne perowskitowe mogą być zintegrowane z materiałami budowlanymi, takimi jak okna, elewacje szklane lub dachy, łącząc estetykę z produkcją energii.
- Przenośne Źródła Zasilania: Dzięki swojej lekkości i elastyczności ogniwa perowskitowe mogą być integrowane z przenośnymi urządzeniami elektronicznymi, takimi jak smartfony, tablety i urządzenia noszone, zapewniając bezprzewodowe możliwości ładowania.
- Integracja w Pojazdach: Ogniwa słoneczne perowskitowe mogą być wbudowane w powierzchnie pojazdów, dronów i rowerów elektrycznych, dostarczając dodatkową moc, wydłużając zasięg jazdy lub zmniejszając zależność od zewnętrznych źródeł zasilania.
- Zasilanie Off-Grid: W odległych miejscach lub krajach rozwijających się, ogniwa słoneczne perowskitowe mogą być częścią systemów zasilania off-grid, dostarczając czystą energię elektryczną.
- Zastosowania Fotowoltaiczne wewnątrz budynków: Dzięki silnemu pochłanianiu światła, ogniwa słoneczne perowskitowe mogą generować energię elektryczną nawet w warunkach oświetlenia wewnętrznego, nadając się do oświetlenia wnętrz i urządzeń o niskim poborze mocy, takich jak czujniki.
- Zastosowania Kosmiczne: Lekkość i wysoka wydajność ogniw perowskitowych sprawiają, że są one idealne do zastosowań kosmicznych, zapewniając zasilanie dla satelitów i innych statków kosmicznych.
- Rolnictwo: Ogniwa słoneczne perowskitowe mogą być używane w systemach monitorowania i automatyzacji rolnictwa, takich jak kontrolery nawadniania, stacje meteorologiczne i urządzenia do monitorowania upraw.
- Wojsko i Obrona: Dzięki swojej wysokiej wydajności i przenośności, ogniwa słoneczne perowskitowe mogą być używane w sprzęcie wojskowym i bezzałogowych dronach rozpoznawczych, zapewniając niezawodne źródło zasilania.
- Elektronika Konsumencka: Ogniwa słoneczne perowskitowe mogą być integrowane z różnymi produktami elektroniki konsumenckiej, takimi jak czytniki e-booków, przenośne głośniki i zegarki cyfrowe.
- Pomoc w Katastrofach i Reakcje Kryzysowe: W przypadku klęsk żywiołowych lub sytuacji awaryjnych, ogniwa słoneczne perowskitowe mogą być szybko wdrażane w celu zapewnienia natychmiastowego zasilania dla działań ratunkowych.
Te różnorodne scenariusze zastosowania podkreślają wszechstronność i potencjał ogniw słonecznych perowskitowych, czyniąc je przełomową technologią w sektorze energii.
Podsumowanie
Badania i zastosowania ogniw słonecznych perowskitowych nieustannie się rozwijają, oferując nieograniczony potencjał na przyszły rozwój. Dzięki bieżącym przełomom technologicznym i ciągłemu obniżaniu kosztów, ogniwa słoneczne perowskitowe są gotowe odegrać znaczącą rolę na przyszłym rynku fotowoltaiki, przyczyniając się do globalnej transformacji energetycznej i zrównoważonego rozwoju. Czekamy na masową komercjalizację ogniw słonecznych perowskitowych w niedalekiej przyszłości, przynosząc czystsze i bardziej efektywne rozwiązania energetyczne dla ludzkości.
Odniesienie：
Krajowa Rada ds. Badań Naukowych. (2007). Zaawansowana konwersja fotonów słonecznych: Concepts, Technologies, and Applications. The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/11976
Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., & Dunlop, E. D. (2012). Solar cell efficiency tables (Version 38). Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 20(1), 12-15. https://doi.org/10.1002/pip.1074.
NREL. (2023). Najlepsze badania - sprawność ogniw. National Renewable Energy Laboratory (NREL). https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html
Stranks, S. D., & Snaith, H. J. (2013). Organiczno-nieorganiczne perowskity do zastosowań fotowoltaicznych. Advanced Materials, 25(22), 2966-2981. https://doi.org/10.1002/adma.201204079.
Krajowe Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL). (2023). Photovoltaic Research - Perovskite Solar Cells. https://www.nrel.gov/pv/perovskite-solar-cells.html
Oxford PV. (2023). The Technology - Oxford PV. https://www.oxfordpv.com/technology
Green, M. A., & Hoegel, J. (1989). Tabele wydajności ogniw słonecznych. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 7(1), 3-8. https://doi.org/10.1002/pip.4670070103
Green, M. A. (2018). Tabele sprawności ogniw słonecznych (wersja 53). Journal of Photovoltaics, 8(1), 3-12. https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2017.2786899
S. Department of Energy. (2023). Podstawowe potrzeby badawcze w zakresie wykorzystania energii słonecznej. https://www.energy.gov/eere/articles/basic-research-needs-solar-energy-utilization
Krajowa Rada ds. Badań Naukowych. (2011). Technologie energii słonecznej dla 21 wieku: The Role of the National Renewable Energy Laboratory. The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/13256
Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., & Dunlop, E. D. (2012). Solar cell efficiency tables (Version 39). Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 21(1), 8-13. https://doi.org/10.1002/pip.2464.
Może Ci się również spodobać: