Οι περοβσκίτες είναι οικονομικά υλικά που μπορούν να μειώσουν το κόστος των φωτοβολταϊκών κυψελών, ενώ παράλληλα διευρύνουν την εφοδιαστική αλυσίδα και ανοίγουν νέες δυνατότητες - κυριολεκτικά - στον τομέα του διαφανούς ή ημιδιαφανούς ηλιακού γυαλιού για παράθυρα.
Τα διαφανή ηλιακά παράθυρα έρχονται για να περιορίσουν τα ορυκτά καύσιμα
Η ιδέα ενός διαφανούς ηλιακού παραθύρου είναι ιδιαίτερα ελκυστική. Άλλωστε, τα παράθυρα είναι γνωστά για τις απώλειες ενέργειας από τα κτίρια.
Η μετατροπή τους σε σταθμούς παραγωγής καθαρής ενέργειας αποτελεί μια αλλαγή δεδομένων. Ωστόσο, οι λεπτομέρειες είναι που κάνουν τη διαφορά.
Το πυρίτιο είναι μια ώριμη τεχνολογία, αλλά αντιμετωπίζει περιορισμούς όταν εφαρμόζεται σε ηλιακά παράθυρα. Τα προηγμένα υλικά λεπτής μεμβράνης βρίσκονται επίσης στο επίκεντρο, αλλά το κόστος τους μπορεί να είναι απαγορευτικό.
Ιδανικά, ένα ηλιακό παράθυρο επιτρέπει την είσοδο αρκετού φυσικού φωτός ώστε να αξιοποιείται ο φωτισμός της ημέρας, ενώ παράλληλα συλλέγει και μετατρέπει αρκετή ηλιακή ενέργεια ώστε να δικαιολογεί το επιπλέον κόστος.
Τα τελευταία νέα στον τομέα αυτό προέρχονται από το κορυφαίο ερευνητικό ίδρυμα University College London (UCL), όπου μια ομάδα επιστημόνων υλικών εργάζεται τόσο στην αύξηση της κλίμακας παραγωγής όσο και στη βελτίωση της απόδοσης των ηλιακών παραθύρων.
Το υλικό επιλογής τους είναι ο περοβσκίτης, μια κατηγορία συνθετικών κρυστάλλων που παράγονται στο εργαστήριο και βασίζονται στο φυσικό ορυκτό περοβσκίτη.
Η νέα τους μελέτη, η οποία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Advanced Energy Materials, υποστηρίζει ότι οι περοβσκίτες μπορούν να επιτύχουν το επιθυμητό επίπεδο διαφάνειας, ενώ παράλληλα μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική.
Πώς το κατάφεραν;
Η νέα μελέτη, με τίτλο «Multimodal Strategy for Efficient Semi-Transparent Perovskite Solar Cells and Modules with Record Indoor Performance», περιγράφει πώς τα ηλιακά παράθυρα που βασίζονται σε περοβσκίτη μπορούν να επιτύχουν ισορροπία μεταξύ διαφάνειας και παραγωγής ενέργειας.
Η κύρια συγγραφέας της μελέτης, η υποψήφια διδάκτωρ Siming Huang, εξηγεί ότι το ημιδιαφανές ηλιακό παράθυρό τους παρέχει την ίδια λειτουργία με ένα φιμέ παράθυρο, βοηθώντας στη διατήρηση χαμηλότερης θερμοκρασίας στους εσωτερικούς χώρους, ενώ παράλληλα παράγει ηλεκτρική ενέργεια.
«Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε θερμότερες περιοχές του κόσμου, οι οποίες καταναλώνουν μεγάλο μέρος της ενέργειάς τους για κλιματισμό», σημειώνει η Huang.
Στη μελέτη, η ομάδα του UCL αναφέρει ότι το παράθυρό της επιτρέπει την είσοδο ικανοποιητικής ποσότητας φωτός, στο 30% σε σύγκριση με 80%-90% για το συμβατικό γυαλί παραθύρων, ενώ παράλληλα προσφέρει αξιοσημείωτη απόδοση ηλιακής μετατροπής 14% ως φωτοβολταϊκή μονάδα.
Η μελέτη είναι επίσης σημαντική επειδή η ομάδα του UCL απέδειξε ότι το φωτοβολταϊκό στοιχείο περοβσκίτη πέτυχε απόδοση ηλιακής μετατροπής 22% σε έντονο εσωτερικό φωτισμό και παρουσίασε επίσης την πρώτη επεκτάσιμη μονάδα του είδους της με διαστάσεις 30 × 30 τετραγωνικά εκατοστά.
Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό με κριτές Advanced Energy Materials, παρουσιάζει τις λεπτομέρειες:
«Καθοδηγούμενη από προσομοιώσεις μήτρας μεταφοράς, μια στρώση περοβσκίτη βασισμένη σε FAMA με ενεργειακό χάσμα 1,7 eV και πάχος περίπου 185 nm ενσωματώθηκε με ένα βελτιστοποιημένο άνω ηλεκτρόδιο MoO3/Au/MoO3 (διαπερατότητα 59,9%).
Η ενσωμάτωση του διλειτουργικού μορίου 3-trifluoromethyl-1H-1,2,4-triazole, το οποίο συνδέεται με υποσυντονισμένα Pb2+ μέσω της ομάδας ─CF3 και σχηματίζει αλληλεπιδράσεις N H με είδη FA+/αλογονιδίων, καταστέλλει αποτελεσματικά τον ανασυνδυασμό που προκαλείται από παγίδες και σταθεροποιεί το πλέγμα».
Το UCL προσφέρει επίσης μια απλούστερη εξήγηση:Το μόριο 3-trifluoromethyl-1H-1,2,4-triazole μειώνει τα ελαττώματα που ονομάζονται «παγίδες», στις οποίες μπορούν να εγκλωβιστούν ηλεκτρόνια πριν απελευθερώσουν την ενέργειά τους.
«Αυτό το μόριο βοήθησε επίσης στη σταθεροποίηση της κρυσταλλικής δομής του περοβσκίτη, αποτρέποντας την υποβάθμισή του με την πάροδο του χρόνου», προσθέτει το UCL.
Το πανεπιστήμιο σημειώνει επίσης ότι τα ηλεκτρόδια στα φωτοβολταϊκά περοβσκίτη κατασκευάζονται συνήθως από χρυσό, ο οποίος εμποδίζει το φως. Η ερευνητική ομάδα δημιούργησε διαφάνεια στα ηλεκτρόδια κατασκευάζοντας ένα «σάντουιτς» που αποτελείται από ένα εξαιρετικά λεπτό στρώμα χρυσού στο κέντρο και διαφανή στρώματα οξειδίου του μολυβδαινίου σε κάθε πλευρά.
Εν τω μεταξύ, στις Ηνωμένες Πολιτείες
Οι ερευνητές του UCL προσβλέπουν στα επόμενα βήματα. Επειδή τα φωτοβολταϊκά περοβσκίτη είναι ελαφριά και εύκαμπτα, μπορούν να εφαρμοστούν σε καμπύλες γυάλινες επιφάνειες και παράθυρα, συμπεριλαμβανομένων εξαρτημάτων αυτοκινήτων.
Η αύξηση της κλίμακας πέρα από τα 30×30 εκατοστά βρίσκεται επίσης στη λίστα των επόμενων στόχων.
Στο μεταξύ, οι εταιρείες που δραστηριοποιούνται στα φωτοβολταϊκά περοβσκίτη στις Ηνωμένες Πολιτείες δεν έχουν μείνει αδρανείς. Ένα παράδειγμα είναι η startup Sofab Inks με έδρα το Κεντάκι, η οποία παράγει εξειδικευμένες λύσεις περοβσκίτη με στόχο την αντιμετώπιση των προβλημάτων ανθεκτικότητας που είχαν πλήξει τις πρώτες προσπάθειες στον τομέα των φωτοβολταϊκών περοβσκίτη.
Η Sofab έχει αναπτύξει μια σύνθεση που εξαλείφει το C60, ένα φουλερένιο που χρησιμοποιείται ευρέως στα φωτοβολταϊκά περοβσκίτη. Τα φουλερένια είναι παραλλαγές της δομής του άνθρακα, με το C60 να είναι γνωστό για το σχήμα του που μοιάζει με μπάλα ποδοσφαίρου. Το C60 είναι επίσης ένα σχετικά εύθραυστο υλικό.
«Ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο περοβσκίτη είναι τόσο καλό όσο το πιο αδύναμο στρώμα του και η βιομηχανία έχει εγκλωβιστεί στο C60, ένα φουλερένιο», εξηγεί ο συνιδρυτής και διευθύνων σύμβουλος της Sofab, Blake Martin.
«Είναι η μεγαλύτερη πηγή απώλειας τάσης στη συσκευή και το σημείο όπου οι μονάδες που βρίσκονται στο πεδίο παρουσιάζουν πρώτα ρωγμές. Αυτό είναι το στρώμα που αντικαθιστούμε», προσθέτει ο Martin.
«Τα νανοσωματίδια μεταλλικού οξειδίου μας συνδέονται έξι έως δέκα φορές ισχυρότερα από το C60 και αντέχουν σε πραγματικές διαστάσεις, λειτουργώντας στο 22,3% σε μονάδες μονοσύνδεσης 30 εκατοστών».
Ακολουθώντας τη χρηματοδότηση
Η Sofab προέκυψε από ερευνητική δραστηριότητα στο University of Louisville και οι ιδιώτες επενδυτές δείχνουν ενδιαφέρον καθώς η εταιρεία βελτιστοποιεί τη μέθοδο παραγωγής της.
Στις 21 Ιουλίου, η Sofab ανακοίνωσε την ολοκλήρωση ενός γύρου αρχικής χρηματοδότησης ύψους 6 εκατ. δολαρίων, με την Cloudberry Ventures να αναλαμβάνει τον ηγετικό ρόλο. Τα κεφάλαια θα επιτρέψουν στη Sofab να επεκτείνει την ομάδα μηχανικών της και να περάσει σε παραγωγή υψηλής ταχύτητας.
Όπως και η ομάδα του UCL, η Sofab σημειώνει ότι τα φωτοβολταϊκά περοβσκίτη είναι ελαφριά και εύκαμπτα, ανοίγοντας εφαρμογές σε καμπύλες επιφάνειες που δεν είναι διαθέσιμες για τα συμβατικά φωτοβολταϊκά πυριτίου. Η εταιρεία είναι επίσης μεταξύ εκείνων που εκτιμούν ότι ο τομέας των διαστημικών φωτοβολταϊκών θα προσφέρει ακόμη μία ευκαιρία.
«Η επένδυσή μας αντανακλά την εμπιστοσύνη μας στην πορεία της Sofab, καθώς επιλύει ένα κρίσιμο τεχνικό εμπόδιο και αυξάνει την παραγωγή για να ανταποκριθεί στην παγκόσμια ζήτηση για καινοτόμα υλικά ηλιακής ενέργειας επόμενης γενιάς», δήλωσε ο ιδρυτής και γενικός εταίρος της Cloudberry, Mahir Sahin, σε ανακοίνωση.
Η Sofab αναφέρει ότι έχει ήδη συνεργαστεί, σε κάποιο βαθμό, με περίπου το 90% της βιομηχανίας περοβσκίτη. Συγκεκριμένα, η εταιρεία αναφέρει μεταξύ άλλων τις Alpha Precision Systems, Energy Materials Corporation και Halocell Energy.
Η APS, για παράδειγμα, έχει συνεισφέρει πόρους στη Sofab τα τελευταία δύο χρόνια, συμπεριλαμβανομένης της διαδικασίας επικάλυψης με slot die.
«Η APS προσβλέπει στη συνέχιση της συνεργασίας μας με τη Sofab, με στόχο να παρέχουμε στους πελάτες μια ολοκληρωμένη λύση που ενσωματώνει τα υλικά Sofab Tinfab, τα οποία εναποτίθενται με συστήματα επικάλυψης και ξήρανσης slot die της APS», εξηγεί ο διευθύνων σύμβουλος της APS, Miguel Friedrich, με το Tinfab να αναφέρεται στη σύνθεση οξειδίου του κασσίτερου της Sofab.
Η Sofab έχει επίσης σχέση με το Arizona State University, όπου μια ερευνητική ομάδα χρησιμοποιεί το Tinfab ως αντικατάσταση του φουλερενίου για τη βελτίωση της ανθεκτικότητας των φωτοβολταϊκών περοβσκίτη.
«Έχουμε παρατηρήσει ότι τα υλικά με βάση το φουλερένιο αποτελούν τον μηχανικά αδύναμο κρίκο όσον αφορά τις εξαιρετικά χαμηλές ενέργειες θραύσης που προκαλούν αποκόλληση και περιορίζουν την εμπορική βιωσιμότητα της τεχνολογίας που βασίζεται στον περοβσκίτη», εξηγεί ο καθηγητής του ASU Dr. Nick Rolston, επικεφαλής του εργαστηρίου Renewable Energy Materials and Devices Lab του πανεπιστημίου.
www.worldenergynews.gr
