Domácí elektronika bez baterií? Pomůže perovskit?

Řada osobních a domácích zařízení by jednoho dne mohla fungovat bez baterií díky vývoji nové solární technologie. Vědci optimisticky uvádějí, že jejich objev „otevírá cestu pro elektroniku napájenou okolním světlem v našich bytech.“ Nové solární články jsou schopny získávat energii z vnitřního světla. Vědci uvedli, že objev má široké uplatnění a mohl by spotřebitelům umožnit napájet zařízení, jako jsou klávesnice, alarmy a senzory, pouze s využitím běžného okolního světla.

Ve studii publikované 30. dubna v časopise Advanced Functional Materials vědci použili pro solární články perovskit. Tento materiál se již používá a nabízí oproti tradičním solárním panelům na bázi křemíku zřetelné výhody. Podle studie perovskit zejména absorbuje okolní světlo efektivněji než tradiční články, což je ideální pro použití v interiéru. Nové perovskitové články byly šestkrát účinnější než solární články na bázi křemíku.

Perovskit 

CaTiO₃, oxid vápenato-titaničitý, je kosočtverečný minerál alkalických bazických hornin. Má tvrdost 5,5, hustotu 4 g/cm³, barvu žlutou, červenohnědou až černou. Je to tvrdý minerál, v přírodě se ve velkém množství nevyskytuje, ale najdeme ho například i v České republice, v některých západoevropských zemích nebo v Rusku. V roce 2009, kdy byla představena první technologie solárních článků s využitím perovskitu, se nedalo mluvit o převratné technologii, jelikož měla účinnost jen kolem 4 %. Od té doby se daří ji zvyšovat.

Z dlouhodobého hlediska představují solární články odvozené od perovskitu udržitelnější a nákladově efektivnější alternativu k bateriím, uvedl spoluautor studie Mojtaba Abdi Jalebi, docent energetických materiálů na Institutu pro objevování materiálů University College London. Miliardy zařízení, která vyžadují malé množství energie, se spoléhají na výměnu baterií – což je neudržitelná praxe. Toto číslo bude s rozšiřováním internetu věcí růst. „V současné době jsou solární články zachycující energii z vnitřního světla drahé a neefektivní. Naše speciálně navržené perovskitové solární články pro vnitřní použití dokáží shromažďovat mnohem více energie než komerční články a jsou odolnější než jiné prototypy. Dláždí cestu pro elektroniku napájenou okolním světlem, které je již v našich životech přítomno,“ Uvedl Jalebi.

Problémy se složením perovskitu

Perovskit je již delší dobu populárním materiálem pro použití v solárních panelech, s výraznými výhodami ve srovnání s materiály na bázi křemíku. I když jsou jeho aplikace slibné, materiál má několik nevýhod, pokud jde o stabilitu a dlouhou životnost. Klíčovým faktorem jsou zde „pasti“ – drobné defekty v krystalové struktuře perovskitu. Tyto pasti způsobují, že elektrony uvíznou v drobných vadách materiálu, čímž nelze jejich energii využít. Navíc pasti nejen brání toku elektřiny, ale také urychlují degradaci materiálu v průběhu času v důsledku nelineárního toku náboje materiálem. Aby se tomu vyhnuli, použili vědci kombinaci chemikálií ke snížení objemu těchto defektů. To zahrnovalo aplikaci chloridu rubidia, který „podporoval homogennější růst“ krystalů perovskitu a snížil hustotu pastí, uvedli zástupci ve svém prohlášení.

Ke stabilizaci použili ještě dvě další chemikálie – N,N-dimethyloktylamonium jodid (DMOAI) a fenethylamoniumchlorid (PEACl), obě organické soli amoniaku. Studie uvádí, že to pomohlo vyřešit problém dlouhodobého snižování výkonu solárního článku. „Solární článek s drobnými defekty je jako dort rozřezaný na kousky. Kombinací strategií jsme tento dort opět složili dohromady, což umožňuje snadnější průchod náboje,“ uvedl hlavní autor studie Siming Huang, doktorand na Ústavu pro objevování materiálů UCL.

Výrazné výhody ve výkonu

Po vyřešení problému s pastmi vědci zjistili, že jejich solární články přeměňují 37,6 % světla ve vnitřních prostorách na elektřinu. Toho bylo dosaženo při 1 000 luxech, uvedli vědci, což je ekvivalent dobře osvětlené kanceláře. Studie zjistila, že se také zlepšila dlouhodobá životnost, solární články si udržely 92 % svého výkonu po dobu 100 dnů. Pro srovnání, řídicí zařízení, kde perovskit nebyl upraven za účelem odstranění vad, si zachovalo 76 % svého původního výkonu.

Jalebi uvedl, že tým jedná se zainteresovanými stranami v průmyslu o „prozkoumání strategií pro rozšíření a komerční nasazení“ perovskitových solárních článků.

Jak se z perovskitu vyrábějí solární články

Oproti křemíku nabízí perovskit tu výhodu, že stačí jen jeho slabá vrstva. K nanášení se využívá metoda OSPD, kdy se vrstva nastříká, a následně se provede žíhání. Také lze nanášet pomocí napařování. Hlavní předností nanášení perovskitu je, že je to jednoduché a levné řešení. Materiál má také vysoký absorpční koeficient, což znamená, že absorbuje celé viditelné sluneční spektrum. Solární články se tak mohou stát mnohem tenčími, levnějšími, účinnějšími, lehkými a hlavně ekologičtějšími. Zatímco k výrobě běžných křemíkových článků je třeba nákladné výrobní prostředí, kde je nutné dosáhnout vysokých teplot a vakua, perovskit vyžaduje jen využití chemikálií a je tak mnohem nenáročnější. 35 kg peroskvitu dokáže produkovat stejné množství energie jako 7 tun křemíku. Solární panely z perovskitu jsou lehké, flexibilní, mají vyšší účinnost, lze je vyrábět za nižších teplot, a tedy i levněji, a dokonce třeba běžným sítotiskem. Firmy je mohou tisknout třeba na ohebné pásky, potahovat se jimi dají i okna, čímž se potenciál využití fotovoltaiky zásadně rozšiřuje. Nová technologie výroby perovskitových panelů pomocí inkoustového tisku na speciálních tiskárnách zjednodušuje a zlevňuje proces výroby oproti tradičním křemíkovým panelům. Tato metoda umožňuje vytvářet tenké, lehké a průhledné panely, které jsou navíc ohebné.

První továrna na perovskitové panely na světě zahájila komerční výrobu v Polsku. Za projektem stojí startup Saule Technologies,  který založila vědkyně Olga Malinkiewiczová. Za své počiny na poli vývoje fotovoltaických technologie jí časopis Forbes označil za „polského Edisona“.

Řešení nestability

Za vysoké teploty a vlhkosti, tedy vlastně v běžném prostředí, se výrazně zkracuje životnost perovskitu. Tým vědců z City University of Hong Kong a Imperial College London letos publikoval v uznávaném vědeckém časopisu Science určité řešení, jímž je použití organokovových sloučenin. Vědci z Londýna a Hongkongu použili organokovové sloučeniny na přechodovou vrstvu, která pomáhá perovskitu lépe přenášet zachycenou solární energii do nižších vrstev materiálu. Problematické vlastnosti vylepšili pomocí takzvaného ferrocenu, sloučeniny už po desítky let celosvětově zkoumané pro její unikátní vlastnosti. Ta má ve svém středu železo obklopené uhlíkovými prstenci, a obsahuje tak hodně elektronů.  „Naše spolupráce s kolegy z Hongkongu byla vlastně náhodná. Došlo k ní potom, co jsem se o nových sloučeninách z ferrocenu zmínil doktoru Zonglongovi ze CityU, který mě poprosil o zaslání několika vzorků. Do pár měsíců nám jeho tým řekl, že výsledky jsou velmi vzrušující, poprosil mě o další vzorky a zahájili výzkum, který vyústil v účinnější i stabilnější perovskitové články,“ uvedl v tiskové zprávě profesor Nicholas Long, spoluautor výzkumu z Imperial College of London. Výsledné fotovoltaické zařízení při testech dosáhlo jako první svého druhu na světě účinnosti až 25 procent. Dnešní křemíkové panely se pohybují účinností okolo 17 procent.

Vědci už mají patent

Perovskitové solární panely s vrstvou ferrocenu si navíc dokázaly i po více než 1500 hodinách nepřetržitého osvětlení zachovat 98 procent své původní účinnosti. Splnily také mezinárodní normy pro vyspělou fotovoltaiku a měly i velkou stabilitu při zkoušce vlhkým teplem, neboli v prostředí s 85 °C a 85 procenty relativní vlhkosti. „Zařízení jsme si patentovali a chceme panely dostat brzy na trh,“ prozradil doktor Zonglong. Do doby, než hongkongská a londýnská univerzita uvedou perovskitové články na trh, budou dál experimentovat s dalšími konfiguracemi ferrocenu, které mohou výkon a stabilitu zařízení ještě zvýšit.

Zdroje: Fotovoltaické panely na principu perovskitů. Co může nová technologie nabídnout?

Průlom v nanočásticích by mohl přinést "svatý grál" solární energie na dosah | Živá věda

pubs.rsc.org