Zespół badaczy z The Hong Kong Polytechnic University przedstawił koncepcję, która może przeskoczyć barierę możliwości fotowoltaiki. Ich najnowsze badania opublikowane w Nature Photonics wskazują realną drogę do osiągnięcia niemal 40 procent wydajności w ogniwach nowej generacji. Taka różnica mogłaby zasadniczo zmienić ekonomię całego sektora fotowoltaicznego, ale czy to aby nie obietnica w stylu gruszek na wierzbie?
Perowskity łączą siły z krzemem
Sekretem tego nowego (kolejnego już) potencjalnego przełomu w fotowoltaice są tak zwane tandemowe ogniwa perowskitowo-krzemowe. Chociaż ta nazwa brzmi skomplikowanie, to sama zasada działania jest stosunkowo prosta. Zamiast polegać na pojedynczej warstwie materiału pochłaniającego światło, naukowcy wykorzystują dwie warstwy. Górna, wykonana z perowskitu, przechwytuje krótsze fale świetlne, podczas gdy dolna, krzemowa, absorbuje te o dłuższej długości. Dzięki temu podejściu znacznie większa część energii słonecznej może zostać zamieniona na prąd elektryczny.
Czytaj też: Zdradzili tajemnicę fotowoltaiki. Nawet nie wiesz, co obniża wydajność paneli słonecznych
Obecne ogniwa tandemowe wciąż nie wykorzystują w pełni swojego teoretycznego potencjału. Badacze zdają sobie sprawę, że technologia mogłaby działać jeszcze lepiej, a teraz muszą tylko odkryć, jak to osiągnąć w praktyce. Dlatego też aktualnie zespół kierowany przez profesorów Li Ganga i Yang Guanga pracuje nad zwiększeniem efektywności konwersji energii z obecnych 34-35 procent do wartości bliskiej 40 procent. W skali laboratoryjnej może to nie robić wrażenia, ale w kontekście przemysłowym przekłada się na miliardy złotych oszczędności i znacznie szybszy zwrot z inwestycji w instalacje fotowoltaiczne.
Wyzwania na drodze do komercjalizacji i problematyczny wpływ na środowisko
Prawdziwy przełom w energetyce to nie tylko kwestia laboratoryjnych osiągnięć. Konieczna jest ścisła współpraca między naukowcami, inżynierami, ekonomistami i specjalistami od ochrony środowiska. Dopiero wtedy technologia może przejść z artykułów naukowych do powszechnego zastosowania i dlatego właśnie laboratoryjne prototypy to tylko pierwszy krok na długiej drodze do komercjalizacji.
Do tej pory zespół z PolyU zidentyfikował trzy główne obszary wymagające dalszych prac, zanim nowe ogniwa będą mogły trafić na dachy domów i do przemysłowych farm słonecznych. Kwestia wydajności pozostaje kluczowa. Chociaż obecne wyniki zbliżają się do 35 procent, to każdy dodatkowy procent wymaga rozwiązania kolejnych problemów technicznych. Chodzi przede wszystkim o minimalizowanie strat energii na każdym etapie procesu – od momentu uderzenia fotonu w panel po przepływ elektronów przez przewody.
Czytaj też: To paliwo jądrowe rozstrzygnie przyszłość małych reaktorów nuklearnych
Drugim poważnym wyzwaniem jest stabilność materiałów perowskitowych. Są one wyjątkowo wrażliwe na działanie wilgoci, tlenu, promieniowania ultrafioletowego oraz wahań temperatury. W praktyce oznacza to, że panel może doskonale funkcjonować przez pierwsze miesiące, po czym jego wydajność zaczyna systematycznie spadać. Dla inwestora planującego zwrot z instalacji przez 25 lat stanowi to poważny problem ekonomiczny.
Trzecim istotnym aspektem jest skalowalność produkcji. Przejście z małych prototypów do pełnowymiarowych modułów wprowadza zupełnie nowe wyzwania technologiczne. Konieczne jest zapewnienie jednorodności materiału na dużej powierzchni oraz kontrola defektów w warunkach masowej produkcji. Wymaga to nie tylko zaawansowanej wiedzy naukowej, ale również inżynieryjnego know-how i odpowiednich standardów przemysłowych.
Pojawia się tutaj pewna ironia – technologia mająca pomóc w walce ze zmianami klimatu sama niesie ze sobą pewne obciążenie środowiskowe. Perowskity wykorzystują w swojej konstrukcji ołów oraz rzadkie pierwiastki, co buduje uzasadnione obawy ekologów i specjalistów od zrównoważonego rozwoju. Naukowcy z PolyU otwarcie przyznają istnienie tego problemu i apelują o opracowanie bardziej zrównoważonych alternatyw oraz skutecznych systemów zarządzania cyklem życia ołowiu. Potencjalnym rozwiązaniem może się okazać recykling, bo jeśli panele dałoby się efektywnie przetwarzać po zakończeniu ich eksploatacji, wpływ na środowisko naturalne byłby znacznie mniejszy.
Perspektywy i realistyczne oczekiwania
Patrząc na dotychczasowe postępy, można odnieść wrażenie, że rewolucja w fotowoltaice jest tuż za rogiem. W rzeczywistości jednak droga od laboratoryjnego sukcesu do komercyjnego produktu bywa długa i wyboista, bo naukowcy muszą nie tylko zamknąć się w laboratorium, ale też rozwiązać wiele problemów natury technicznej i ekonomicznej. Warto tym samym zachować zdrowy sceptycyzm wobec zbyt optymistycznych prognoz, jednocześnie doceniając znaczenie tego rodzaju badań.
Czytaj też: Jetour startuje w Polsce. Trzy samochody, 7 lat spokoju i koniec z obawami o serwis
Nawet jeśli ogniwa tandemowe nie osiągną w najbliższym czasie zakładanych 40 procent wydajności, to każdy postęp przybliża nas do bardziej efektywnego wykorzystania energii słonecznej. W kontekście globalnych wyzwań klimatycznych i rosnących potrzeb energetycznych takie prace badawcze mają fundamentalne znaczenie dla przyszłości czystej energii.