Ogniwa perowskitowe Olgi Malinkiewicz
Perowskity to grupa nieorganicznych związków chemicznych o specyficznej atomowej budowie przestrzennej. Niewątpliwie warto uzupełnić o ten termin osobiste słowniki, gdyż wkrótce materiały te mogą zrewolucjonizować światową energetykę. W każdym razie zapowiada się na to, że trochę w niej namieszają. Magazyn "Science" uznał je za jedno z przełomowych odkryć 2013 roku. Dlaczego? Od pewnego czasu perowskity budziły zainteresowanie badaczy, zajmujących się poszukiwaniem nowych rozwiązań w zakresie pozyskiwania energii słonecznej. Wynika to z tego, że perowskity bardzo dobrze pochłaniają energię świetlną, dając przy tym lepsze efekty niż krzem, a nawet arsenek galu. Po zaledwie 3 latach prac, nad ich zastosowaniem w fotowoltaice, udało się osiągnąć wydajność na poziomie 20% – podczas gdy dobrze znane i badane od wielu lat ogniwa krzemowe cechuje kilkunastoprocentowa wydajność. Teoretyczny limit dla pojedynczego ogniwa perowskitowego to 30%. Nazwa "perowskit" pochodzi od minerału, który został odkryty na Uralu przez Gustava Rose w 1838 roku, a któremu odkrywca nadał nazwę na cześć rosyjskiego mineraloga L.A. Perowskiego. O klasyfikacji do tej grupy substancji nie decyduje skład chemiczny. Zaliczamy do niej wszystkie substancje mające taką samą budowę siatki krystalicznej jak tytanian wapnia, czyli tritlenek tytanu i wapnia (jest to podwójny tlenek, o wzorze chemicznym CaTiO₃).
Dzięki specyficznej budowie pochłanianie kwantów energii jest w tej strukturze bardzo wydajne i może zachodzić w bardzo cienkich warstwach (ok. 200-300 nm). Niewielka grubość minimalizuje przy tym straty powstałego ładunku elektrycznego, ponieważ nie musi on pokonywać długiej drogi do elektrod. Zwiększa to efektywność układów fotowoltaicznych, przy istotnym zmniejszeniu zużycia materiałów. Oprócz naturalnie występujących minerałów, które są bardzo rzadkie, dostępne są też, łatwe w produkcji, perowskity syntetyczne. Spośród nich za szczególnie obiecujące uważa się perowskity hybrydowe, złożone częściowo z substancji organicznych, a częściowo z nieorganicznych. W naturze połączenia takie występują rzadko. Część nieorganiczna zapewnia konwersję światła w energię elektryczną z wysoką skutecznością. Z kolei frakcja organiczna ułatwia łączenie z wieloma rozpuszczalnikami, a dzięki temu łatwe nanoszenie na dowolne powierzchnie. Dzięki łatwości syntezy, z powszechnie dostępnych składników, perowskity wydają się szczególnie obiecującym tworzywem, mogącym posłużyć do budowy nowoczesnych, nawet przezroczystych ogniw słonecznych. Dalszy rozwój tej rewolucyjnej technologii może wkrótce pozwolić na implementację ogniw fotowoltaicznych na powierzchniach o dowolnych kształtach – w tym np. na powierzchni dachów, czy szyb okiennych lub samochodowych. Możliwe będzie pokrywanie panelami słonecznymi całych elewacji budynków, hal przemysłowych czy magazynów. W zależności od użytych technologii, możliwe jest nawet uzyskanie całkowitej samowystarczalności energetycznej takiego budynku. W połączeniu z rozwijającymi się technologiami inteligentnej sieci energetycznej, technologia ta może stać się przełomem na drodze do energetyki prosumenckiej, czyli zindywidualizowanej i rozproszonej. Nowe ogniwa będzie też można integrować w elementach odzieży, sprzęcie turystycznym czy ratunkowym. Mogą nam one w przyszłości towarzyszyć na każdym kroku – choćby umieszczone na powierzchni ekranów smartfonów i tabletów, albo okularów. Wspomina się nawet o pokrywaniu klasycznych krzemowych paneli słonecznych dodatkowymi warstwami zbudowanymi na bazie perowskitów. Przełomu w rozwoju nowej technologii dokonała Polka, Olga Malinkiewicz, doktoryzująca się na Uniwersytecie w Walencji. W listopadzie 2013 r. opublikowała ona pracę naukową poświęconą niskotemperaturowemu wytwarzaniu elastycznych ogniw fotowoltaicznych z perowskitów. Opatentowana przez nią technologia okazała się bardziej uniwersalna i łatwiejsza w użyciu, niż konkurencyjna metoda ogłoszona nieco wcześniej przez Henry'ego Snaitha z Uniwersytetu w Oksfordzie. W marcu 2014 r., za swoje badania otrzymała główną nagrodę w europejskim konkursie naukowym Photonics21. Kiedy rozpoczynała swą przygodę z perowskitami, złożone z nich warstwy fotowoltaiczne nanoszono w bardzo skomplikowany sposób na grube tafle szkła. Niezbędny do tego dwutlenek tytanu trzeba było uzyskiwać w temperaturze 500°C, a produkt końcowy cechowało występowanie sporej liczby defektów. Istotą innowacji jest możliwość łączenia perowskitów z rozpuszczalnikami i nanoszenia ich w postaci cienkiego filmu. Uzyskane taką metodą warstwy są gładkie, ciągłe i nie wykazują defektów. Nie ma też potrzeby tworzenia ich na specjalnych podłożach czy pokrywania drogimi materiałami zabezpieczającymi. Opracowana przez Polkę nowa technologia nie wymaga też ultraczystych laboratoriów i supernowoczesnych technologii domieszkowania. To zwykła stara "mokra" chemia – tania i łatwa we wdrażaniu. Wystarczy spray, albo drukarka atramentowa... Założona przez nią Saule Technologies, jest jedną z pierwszych na świecie firm pracujących nad komercyjnym wdrożeniem perowskitów do budowy nowej generacji ogniw fotowoltaicznych. Jak sama mówi o sobie, otaczający świat fascynował ją od dzieciństwa. W młodości najbardziej lubiła biologię. Później pokochała fotografię. Za fizyką w młodości nie przepadała m.in. dlatego, że nie lubiła "wkuwania" wzorów na pamięć. Sukces przyszedł kiedy osiadła na stałe w Hiszpanii. Przyniosła go ciekawość, fascynacja nowoczesnymi laboratoriami typu "clean room" i przyjazna atmosfera, pozwalającą na dużą swobodę w prowadzeniu badań.
Więcej: [Forbes.pl] Zapomnijcie o grafenie, gramy na perowskity [PAP: Nauka w Polsce] Brakujące ogniwo (słoneczne): Polka udoskonaliła produkcję perowskitów
Publikacja naukowa: O. Malinkiewicz, A. Yella, Y. Hui Lee, G.M. Espallargas, M. Graetzel, M.K. Nazeeruddin, H.J. Bolink; Perovskite solar cells employing organic charge-transport layers; Nature Photonics 8 (2014), pp. 128–132. [DOI: http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2013.341]