S perovskiti do boljšega izkoriščanja sonca

Dr. Marko Jošt je s sodelavci Laboratorija za fotovoltaiko in optoelektroniko (LPVO) na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani v zaključku podoktorskega usposabljanja na raziskovalnem inštitutu Helmholtz Zentrum v Berlinu (HZB) izdelal rekordno perovskitno-CIGS tandemsko sončno celico.

Z njo so dosegli do zdaj največjo, 24,2-odstotno učinkovitost pretvorbe svetlobne energije v električno za to tehnologijo. V LPVO so raziskavi z namenom optimizacije dodali še optične simulacije ter izračune energijskega izplena. Že pred tem je dr. Jošt sodeloval pri izdelavi še učinkovitejših perovskitno-silicijevih sončnih celic.

V tandemu do večje učinkovitosti

Na strehah imamo zdaj večinoma silicijeve sončne celice, to je trenutno glavna tehnologija v fotovoltaiki, pojasnjuje dr. Jošt, za njo so CIGS celice, katerih absorpcijski material vsebuje baker, indij, galij in selen, a so nekoliko manj učinkovite od silicijevih. »V zadnjih desetih letih pa se intenzivno proučujejo perovskiti, ki imajo odlične fotovoltaične lastnosti. Gre za kompozicijo organsko-anorganskih kovinskih halogenidov. Perovskiti imajo to prednost, da jih lahko uporabimo v tandemskih sončnih celicah, s tem dobimo celico z dvema fotovoltaičnima materialoma, tako zmanjšamo izgube in povečamo izkoristek,« razlaga sogovornik in dodaja, da je večina raziskav usmerjenih v perovskitno-silicijeve celice.

»Perovskit-CIGS pa je enakovredna tehnologija, ima skoraj enak potencial učinkovitosti pretvorbe, je pa nekoliko težje narediti dobre celice, vendar ima druge prednosti.« Te so, da je ta tehnologija veliko tanjša od perovskitno-silicijeve, zato lahko celice naredimo upogljive, navaja Marko Jošt. »S tem se nam odpre veliko možnih aplikacij, denimo, da jih namestijo na avtomobile. Ker se jih lahko zvije, je lažji transport. Ta kompozit je tudi odporen proti visokoenergijskemu sevanju, zato bi bile perovskitno-CIGS celice primerne za vesoljske odprave. Zaradi nižjih temperatur pri izdelavi kot pri silicijevi tehnologiji naj bi bile tudi cenejše. Pri fotovoltaiki je namreč zelo pomembno, kdaj se povrne energija, ki smo jo porabili za izdelavo, koliko ogljikovega dioksida je pri tem nastalo in koliko je teh izpustov manj v samem obratovanju.«

Perovskitno-CIGS sončna celica je učinkovitejša od enospojne CIGS celice, z njo so dosegli 24,2-odstotno učinkovitost pretvorbe. FOTO: Marko Jošt

Prva želja raziskovalcev pa je seveda visoka učinkovitost. »Enospojne sončne celice iz silicija imajo maksimalno učinkovitost pretvorbe svetlobne energije v električno 29,6-odstotno, v praksi so dosegli 26,7-odstotno. Tu govorimo o petdesetih letih razvoja in višje verjetno ne bo šlo. Tandemske celice pa imajo v teoriji maksimalno učinkovitost okoli 45 odstotkov, v praksi okoli 33. Zato so tako zanimive za raziskovanje. Pri perovskitno-silicijevi tandemski celici, ki jo je izdelala skupina v Berlinu, pri kateri sem sodeloval, smo dosegli 29,2-odstotno učinkovitost, pri perovskitno-CIGS pa torej 24,2. Izkoristek je vsekakor precej večji, kot ga ima enospojna CIGS celica,« pravi in nadaljuje, da bi izdelano tandemsko celico lahko še izboljšali. Kratkoročno bi lahko prišli do 26- ali 27-odstotne učinkovitosti, v članku pa so predvideli realno dosegljivo učinkovitost pretvorbe 32 odstotkov.

Prav zaradi povedanega je razvoj sončnih celic večinoma usmerjen v pripravo tandemskih, te bi po Joštovih besedah lahko prišle na trg v nekaj letih. »Ogromno raziskovalcev se ukvarja s perovskitno tehnologijo, a za zdaj to ostaja v domeni zagonskih podjetij in inštitutov. Toda napredek je precejšen, tako da so se raziskovalci in inženirji že preusmerili v izboljšanje stabilnosti celic in tako imenovani upscaling, torej v izdelavo večjih modulov.«

Marko Jošt se je z izdelavo celic ukvarjal na podoktorskem študiju v Berlinu, vseskozi je sodeloval tudi z matično fakulteto v Ljubljani. »Tu pri nas, v laboratoriju LPVO, je veliko znanja v optični optimizaciji, kar je zelo pomembno pri izdelavi tandemov. V Berlinu, kjer raziskovalna skupina šteje okoli 80 ljudi, se večinoma ukvarjajo z izdelavo celic, v Ljubljani pa smo skušali s simulacijami začrtati poti naprej. Naredili smo izračune, kako visoko učinkovitost pretvorbe lahko dosežemo, ter model napovedi energijskega izplena, torej, koliko energije bi takšna celica proizvedla na strehi, v zunanjih razmerah. V zadnjih letih smo laboratorij opremili tudi s komorami, ki nam omogočajo izdelavo perovskitnih sončnih celic, tandemskih pa še ne moremo, ker nam manjkata še dve napravi,« pravi raziskovalec in še poudarja, da je tudi med študenti zanimanja kar precej, ker gre za nove materiale in tehnologije.

Velike možnosti perovskitov

Perovskiti so zaradi svojih lastnosti vsekakor vroče žemljice v fotovoltaiki in optoelektroniki. Gre za polprevodniški material, ki zelo dobro absorbira svetlobo. »Da perovskit absorbira svetlobo, potrebujemo debelino od 500 do 600 nanometrov, medtem ko pri siliciju govorimo o debelini 150 mikrometrov. Poleg tega ga lahko izdelamo poceni in precej preprosto. Tudi če ima defekte, še vedno dobro deluje, medtem ko silicij ne dopušča napak. Velika prednost je še, kot že prej opisano, da ga lahko povezujemo v tandeme. Ima namreč ustrezno, širšo energijsko režo od silicija, prav tako se to režo da spreminjati z uporabo različnih organskih spojin ali halogenidov,« našteva dr. Jošt. »Zanimiva aplikacija perovskitov je pri zaznavi rentgenskih žarkov. Za to vrsto žarkov so zelo občutljivi, kar pomeni, da bi pri slikanju človeškega telesa teh lahko uporabili manjšo dozo, s čimer bi dosegli manjšo obremenitev za človeško telo.«

Vendar perovskiti niso brez pomanjkljivosti. »Zelo so občutljivi na vlago in visoke temperature. Zato je tu vprašanje dolgoročne stabilnosti, da bodo na strehah odporni proti dežju. Tako da nas čaka še kar nekaj inženirskih izzivov, kot je na primer ustrezna enkapsulacija za zaščito pred vlago.«

V fotovoltaiki je sicer ena večjih težav še vedno shranjevanje pridobljene energije, ko je sončne svetlobe dovolj. »Z razvojem električnih avtomobilov so za industrijo postale zanimive baterije, njihov razvoj se je pospešil, med drugim bodo zaradi množične proizvodnje cenejše, s tem pa pridobi tudi trg fotovoltaike. Pred kratkim sem zasledil, da so odslužene avtomobilske baterije še dovolj dobre za shranjevanje energije v hišah. Presežke sončne energije čez dan bi lahko uporabljali tudi v črpalnih hidroelektrarnah. Takrat bi vodo črpali na višino, ponoči pa bi jo speljali skozi turbine. Z uporabo sončnih celic bi lahko pridelovali zeleni vodik ali zeleni metan, ta dva plina prav tako lahko shranjujemo,« Jošt našteje nekaj možnosti.

Rezultate opisanih raziskav perovskitno-CIGS sončnih celic, ki so plod nemško-slovenskega projekta Tapas, so dr. Marko Jošt kot prvi avtor ter mlada raziskovalka Špela Tomšič, prof. dr. Benjamin Lipovšek in prof. dr. Marko Topič kot soavtorji objavili v prestižni reviji ACS Energy Letters, ki sodi med pet najboljših mednarodnih znanstvenih revij o energetiki in nanoznanosti.