פאנלים סולאריים של פרובסקייט

חומר שידוע למדענים למעלה ממאה שנה, רק כיום, בתחילת המאה ה- XXI, התברר כחומר מבטיח מאוד לייצור תאים סולאריים זולים ויעילים. פרובסקייט, או טיטניטט סידן, נמצא לראשונה בצורת מינרל על ידי הגאולוג הגרמני גוסטב רוזה בהרי אורל בשנת 1839, ונקרא על שמו של הרוזן לב אלכסייביץ 'פרובסקי, מדינאי מפואר ואספן מינרלים, גיבור המלחמה הפטריוטית של 1812, התגלה כמתמודד המתאים ביותר עבור תפקיד החלופה לסיליקון בייצור תאים סולאריים.

כחומר, עד לאחרונה, סידן טיטנט היה בשימוש נרחב רק כאל דיאלקטרי עבור קבלים קרמיים רב שכביים. ועכשיו הם מנסים ליישם אותו לבניית פאנלים סולאריים יעילים ביותר, מכיוון שהתברר כי חומר זה סופג אור בצורה מושלמת.

רגיל, ארוך מסורתי לוחות סולאריים סיליקון בעובי של 180 מיקרון הם סופגים אור רב כמו שפרובסקייט יספוג בעובי של מיקרון אחד בלבד. Perovskite, ממש כמו סיליקון, הוא מוליך למחצה, והוא מעביר מטען חשמלי באותה דרך בהשפעת האור, אך ספקטרום האור המומר לחשמל בפרובסקייט הוא רחב יותר מזה של הסיליקון.

מבנה החומר הגבישי של סידן טיטנטט זהה למבנה של המינרל הפרובסקיט, ולכן שמם זהה. וזה החומר הזה שנמצא כיום באחד המקומות המובילים בדירוג מסלולי מיטוב לאנרגיה סולארית.

העניין הוא שפאנלים סולאריים מבוססי סיליקון עולים היום בממוצע 75 סנט ל -1 קילוואט, ופאנלים סולאריים מבוססי פרובסקייט יפחיתו את עלותם ל-10-15 סנט ל -1 קילוואט, כלומר טכנולוגיית סולארית perovskite ב- 5-7 פעמים זולות יותר מסיליקון הן בייצור סוללות והן בהפעלתן וכמות החשמל המיוצרת זהה.

וזה למרות העובדה כי אנליסטים בתעשיית האנרגיה טוענים שכבר בעלות של 50 סנט ל -1 קילוואט, אנרגיה סולארית הופכת לתחרותית עם דלקים מאובנים. כלומר, המעבר לפרובסקייט בקנה מידה עולמי יפחית את עלויות ייצור החשמל לעיתים, בעוד שתהליך הייצור של הפאנלים עצמם יהיה פשוט מאוד.

מחקרים להערכת ושיפור היעילות של תאים סולאריים מבוססי פרובסקייט נערכים במדינות רבות: מרטין גרין באוסטרליה, מייקל גרצל בשוויץ, הנרי סנט, פליקס דסלר, ליימינג דיי בארצות הברית, וסוק סאנג איל בקוריאה. חוקרים מצהירים פה אחד את העלות הנמוכה והיעילות הגבוהה של הטכנולוגיה המבטיחה.

מייקל גרצל טוען כי ניתן בקלות להגדיל את היעילות שלו של 15% ל -25%, ותאי שמש זולים מהקיים כיום אינם מגיעים ל -15%. לראשונה, בשנת 2009, כשרק דיברו על האפשרות להשתמש בפרובסקייט לאנרגיה סולארית, הושגה יעילות של 3.5%, והיסודות היו קצרי מועד, מכיוון שהאלקטרוליט הנוזלי המיס את perovskite, וברגע שמדענים הספיקו למדוד, הסוללה הפסיקה לעבוד.

עם זאת, לאחר שלוש שנים הוחלף האלקטרוליט הנוזל על ידי מוצק, והתאים הפכו יציבים יותר, והיעילות הכפילה תחילה, ואז הוכפלה שוב. כמה שכבות מצע מוליכות חשמליות, שאחת מהן הייתה מצופה בפיגמנט, פתרו את הבעיה ופתחו את הסיכוי. צעדים לשיפור היעילות אינם פוסקים עד היום, מדענים משתמשים, בין היתר, בשיטות אופטימיזציה סטנדרטיות ששימשו לשיפור מבשרי הסיליקון.

מייקל גרצל בטוח כי יעילות של 25% תוביל למהפכה באנרגיה סולארית.פרופסור מאוסטרליה, מרטין גרין, מחלוצי המחקר, טוען כי סוללות נטולות סיליקון כל כך פשוטות לייצור ויעילות לתפעול, עד כי בהחלט יש וודאות כי עתידן של לוחות סולאריים בפרובסקייט הוא בהיר, מכיוון שאומדנים ראשוניים כבר צופים הפחתה אדירה במחיר - ב 7 פעמים.

קבוצה של חוקרים מקוריאה, בראשות סוק סאנג איל, פיתחו פורמולה משלהם על ידי ערבוב אמוניום ברומיד עופרת עם פורודימין יוד עופרת, המדענים השיגו מבנה פרובסקיט כזה שהם קבעו יעילות שיא של 17.9%. השימוש בתערובת יאפשר הדפסת תאים סולאריים, ועלותם תקטן עוד יותר. הבעיה נותרה - החומר מתמוסס במים, בנוסף, גודל התאים בבדיקות לא עלה על 10 מ"ר, ולכן המחקר ממשיך.

תהליך הייצור של תאים סולאריים perovskite נראה לחוקרים די פשוט. הנוזל פשוט מרוסס על פני השטח או מוחל בצורה אדים, דבר שהוא פשוט מאוד למימוש טכנולוגית. מספר שכבות של חומרים מוחלים על נייר כסף או זכוכית, שאחד מהם הוא perovskite.

יש צורך כאן בחומרים אחרים כדי להקל על תנועת האלקטרונים בתוך האלמנט. תהליך הייצור קרוב לאידיאלי. הפיזיקאי מאוניברסיטת אוקספורד הנרי סיינט, שעובד על פיתוח תאי פרובסקייט בארצות הברית, בטוח כי שכבות של הפאנל הסולארי יוחלו באותה קלות כמו עם צבע רגיל על משטח.

למרות הסיכויים המתהווים, מדענים חולקו לשני מחנות. לשעבר תומכים בשיפור סוללות הסיליקון שכבר הפכו למסורתיות, ואילו האחרים דוגלים ביצירת סוללות חדשות ויעילות יותר. אז, מרטין גרין מאמין שניתן להשתמש בפרובסקייט כתוספת לסוללות סיליקון על ידי שילוב של סיליקון עם פרובסקייט, ובכך להפחית את עלות ואט החשמל המיוצר ללא הפסדים משמעותיים לתעשיית הסיליקון. מיכאל גרצל, נהפוך הוא, משוכנע כי פיתוחים חדשים חשובים, ועלות הגדלת היעילות של תאים פוטו חדשים תשתלם פעמים רבות.

חברות רבות כבר עובדות על יישום מסחרי של המוצר, מכיוון שלמרות שהאפשרויות של פרובסקייט רק מתחילות להתגשם, מומחים מובילים בתחום האנרגיה הסולרית כבר הפנו את תשומת ליבם לעתיד. חברות אוסטרליות וטורקיות פנו יחד באופן פעיל למסחור של פאנלים סולאריים perovskite, ועל פי התחזיות, עד שנת 2018 הם יוצגו בשוק העולמי.

למרות האופטימיות של חברות מסוימות, הניסיון מראה כי בדרך כלל לוקח עשר שנים עד שהטכנולוגיה החדשה עוברת מהמעבדה לשוק, ובזמן זה, מצברי סיליקון עשויים בהחלט לעקוף את perovskite. גרצל, אגב, מוכרת רישיון לטכנולוגיה חדשה לחברות שמתכוונות ללכת בדרך המסורתית של הסיליקון.

גם התחרות בשוק האנרגיה הסולארית גבוהה וכל שחקן חדש מתמודד איתה. עלות לוחות הסיליקון מופחתת, ולדברי כמה אנליסטים היא יכולה לרדת ל 25 סנט לכל 1 קילוואט, מה שמונע לחלוטין את היתרונות של טכנולוגיית perovskite.

הימצאות כמות קטנה של עופרת בפיגמנט, שהוא רעיל, נותרה בעיה. צצים מחקרים ניסיוניים שיחשפו עד כמה perovskite רעיל. כדאי לשים לב לסילוק סוללות משומשות, כמו שקורה בסוללות לרכב המתנע. אך באופן עקרוני ניתן להשתמש בפח או במשהו דומה במקום עופרת.

בתוך כך, חוקרים מאוהיו, בראשותו של לימינג דאי, התחילו לחשמל מכוניות חשמליות באמצעות פאנלים סולאריים פרובסקיטיים. הם פיתחו את השילוב המועיל ביותר של לוחות סולאריים עם סוללות לרכב חשמלי מאי פעם.

על ידי חיבור של ארבע סוללות פרובסקייט לסוללת ליתיום, מדענים השיגו יעילות של 7.8% בתצורה היעילה ביותר עד כה, אשר עלתה על פתרונות קודמים לשילוב תאים סולאריים עם צגים-על וסוללות.

לוחות רב שכבתי הגדילו את צפיפות ויציבות האנרגיה המתקבלת מהשמש. בדיקות הראו כי שלוש שכבות של perovskite הופכות, אם רוצים, לסרט אחד. עם שטח תא בודד של לא יותר מ -10 מ"ר, החוקרים השיגו יעילות של 12.65% ממיר בגודל מטבע, אך בהתחשב בהמרה ואחסון האנרגיה, היעילות הייתה 7.8% במצב מחזורי.

מערכות כאלה, לטענת המפתחים, יוכלו בעתיד לא רק להטעין מכוניות חשמליות, אלא גם יותקנו בצורה של סרט גמיש על גופים. הטכנולוגיה נראית אידיאלית לרכבים חשמליים.

ראוי לציון הוא היכולת של הפרובסקייט להדחה. מדען מאוניברסיטת קיימברידג ', פליקס דשלר, גילה שלפרובסקייט יש תכונה ייחודית. כאשר האור נכנס לחומר, אנרגיית הפוטון לא ממירה רק לחשמל, חלק מהמטען מומר בחזרה לפוטונים.

אם הפאנל יכול לעשות שימוש חוזר בפוטונים האלה, אז האנרגיה שנאספה תגדל עוד יותר. הקבוצה של דסלר ערכה ניסוי בו קרן הלייזר התרכזה בחתך perovskite בעובי 0.5 מיקרון, ואור נפלט מחדש במקום אחר במדגם. לסיליקון, למשל, אין את היכולת להעביר אנרגיה בתוך עצמה ושוב לפלוט אותה.

לפיכך, הסיכויים לפרובסקייט הם אדירים, ומי יודע, יתכן שזה יהיה בדיוק סביב הזמן בו כל בית וכל מכונית יצוידו בסוללות פרובסקייט, מכיוון שהיא תהפוך ללא רווחית כלכלית ולא רצוי לזהם את הסביבה במוצרי בעירה מאובנים.

Comments

[#1]

"העניין הוא שפנלים סולאריים מבוססי סיליקון עולים היום בממוצע 75 סנט ל -1 קילוואט, ופאנלים סולאריים מבוססי פרובסקייט יפחיתו את עלותם ל-10-15 סנט ל -1 קילוואט".

יש לתקן 1 קילוואט עבור ואט אחד (שיא ואט), אחרת השגיאה היא 1000 פעמים.