Ο περοβσκίτης παρότι δεν είναι ένα νέο
υλικό πρόσφατα μπήκε δυναμικά στον χώρο των φωτοβολταϊκών. Ο περοβσκίτης ανακαλύφθηκε
στα Ουράλια το 1839 από τον Γκούσταβ Ρόζε (Gustav Rose) και πήρε το όνομά του
από τον Ρώσο ορυκτολόγο Λεβ Αλεξέγιεβιτς Περόβσκι (
Lev
Aleksevich
Perovski). Ο όρος «περοβσκίτες» χρησιμοποιήθηκε
για να περιγράψει μια σειρά ενώσεων που μοιράζονταν την ίδια κρυσταλλική δομή. Το
2006, ο
Tsutomu
Miyasaka
του
Toin
University
της Ιαπωνίας ανακάλυψε ότι κάποιοι περοβσκίτες είναι ημιαγωγοί, πολλά
υποσχόμενοι για χρήση στην κατασκευή ενός νέου τύπου φωτοβολταϊκών στοιχείων. Στον
απόηχο αυτή της ανακάλυψης, το 2012, ο
Henry
Snaith του
πανεπιστημίου της Οξφόρδης της Μ.Βρετανιάς και οι συνεργάτες του κατάφεραν να
κατασκευάσουν ηλιακά στοιχεία από περοβσκίτη με αποδοτικότητα μετατροπής
ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρικό ρεύμα της τάξεως του 10%. Η επιτυχία αυτή
έστρεψε τη
Oxford
Photovoltaics, την εταιρία που ο ίδιος ο
Snaith
είχε ιδρύσει στην κατασκευή ηλιακών στοιχείων
αποκλειστικά από περοβσκίτη. Η
Oxford
Photovoltaics
μαζί με την πολωνική εταιρία
Saule
Technologies, που ιδρύθηκε το 2014 και επίσης δραστηριοποιείται στο χώρο
της ίδιας τεχνολογίας, βρίσκονται ήδη κοντά στην εισαγωγή εμπορικών φωτοβολταϊκών
περοβσκίτη στην αγορά.
Σήμερα η αποδοτικότητα των φωτοβολταϊκών
στοιχείων περοβσκίτη έχει βελτιωθεί σημαντικά φτάνοντας το 22% , γεγονός που τα
κάνει ανταγωνιστικά έναντι των εμπορικών φωτοβολταϊκών πυριτίου. Επιπλέον, τα
ηλιακά στοιχεία περοβσκίτη είναι δυνατόν να παραχθούν μαζικά γιατί μπορούν να
φτιαχτούν φθηνά από κοινά διαθέσιμα βιομηχανικά χημικά και μέταλλα και μπορούν
να τυπωθούν μαζικά σε εύκαμπτες μεμβράνες από πλαστικό. Αντιθέτως, τα ηλιακά
στοιχεία πυριτίου, είναι άκαμπτα, κατασκευασμένα από λεπτές φέτες από
εξαιρετικά καθαρό πυρίτιο σε μια διαδικασία που απαιτεί υψηλή θερμοκρασία,
καθιστώντας την παραγωγή τους εξαιρετικά υψηλού κόστους.
Η αναπόφευκτη σύγκριση με τα ηλιακά
στοιχεία πυριτίου και του τρόπου παραγωγής τους οδηγεί στο συμπέρασμα ότι περοβσκίτες
θα έπρεπε ήδη να διαμορφώνουν την αγορά ηλιακής ενέργειας. Κάτι τέτοιο όμως δεν
είναι τόσο απλό μιας και ή παραγωγή στοιχείων περοβσκίτη είναι περιορισμένη, καθότι
η εκμάθηση κατασκευής που θα οδηγήσει σε οικονομίες κλίμακας απαιτεί χρόνο. Επίσης,
οι περοβσκίτες σαν υλικά παρουσιάζουν αστάθεια σε υψηλές θερμοκρασίες και ευαισθησία
στην υγρασία, αμφότερα τα οποία μπορούν να προκαλέσουν την αποσύνθεση των
στοιχείων. Παρότι τέτοια μειονεκτήματα δεν είναι αδιάφορα για την επιτυχία ενός
προϊόντος που αναμένεται να διαρκέσει δύο με τρείς δεκαετίες στην ύπαιθρο, η
έρευνα και ανάπτυξη της συγκεκριμένης τεχνολογίας έχει ήδη να επιδείξει
βελτίωση στην ανθεκτικότητα και την στεγανότητα των στοιχείων περοβσκίτη.
Ωστόσο, ακόμη και αν η τεχνολογία του
περοβσκίτη επιτύχει να παράγει ένα τεχνολογικά και οικονομικά ανταγωνιστικό
προϊόν θα πρέπει να αντιμετωπίσει στην αγορά την επικρατούσα τεχνολογία ηλιακών
στοιχείων πυριτίου, της οποίας η βιομηχανία επένδυσε 160 δισεκατομμύρια δολάρια
το 2017 και έχει εμπειρία χρόνων στην κατασκευή και εμπορευματοποίηση των
προϊόντων της.
Αυτό που χρειάζονται οι περοβσκίτες είναι
επομένως μια παρουσία στην αγορά τέτοια ώστε να εξασφαλιζόταν η απαραίτητη
εμπιστοσύνη από την βιομηχανία. Για να γίνει αυτό, τόσο η Oxford Photovoltaics
όσο και η Saule συνεργάζονται με μεγάλες εταιρείες για να εισάγουν ομαλά τα νέα
υλικά στην αγορά ως κομμάτι άλλων ήδη καθιερωμένων προϊόντων. Στην περίπτωση
της Oxford Photovoltaics αυτά τα καθιερωμένα προϊόντα είναι υπάρχοντα ηλιακά στοιχεία
πυριτίου. Η ιδέα πίσω από τα αποκαλούμενα διαδοχικά στοιχεία (
tandem
cells) είναι ότι μαζί τα δύο υλικά που εμπλέκονται (πυρίτιο και
περοβσκίτης) μπορούν να απορροφήσουν περισσότερο από το φάσμα του ηλιακού φωτός
μετατρέποντάς το σε ηλεκτρισμό.
Αυτό επιτυγχάνεται με μικρό-αλλοιώσεις
των χημικών συνθέσεων στο ανώτερο στρώμα του περοβσκίτη έτσι ώστε να απορροφάται
έντονα το ιώδες άκρο του φάσματος του ηλιακού φωτός, αφήνοντας το κατώτερο
στρώμα του πυριτίου να συλλάβει εκείνα τα μήκη κύματος που εκτείνονται προς το ερυθρό
άκρο. Αυτό ενισχύει την αποδοτικότητα του συνδυαστικού πάνελ κατά 20-30%,
δήλωσε ο Frank Averdung, προϊστάμενος της Oxford Photovoltaics. Τα τοιαύτα
στοιχεία αυτού του είδους θα επέτρεπαν στους παραγωγούς ηλιακών πάνελ να
προσφέρουν μια απόδοση πέρα από οτιδήποτε μπορεί να επιτύχει μόνο το πυρίτιο. Η
κατασκευή αυτών των πάνελ θα κόστιζε φυσικά περισσότερο, αλλά η αύξηση των
επιδόσεων δεν θα αυξήσει το κόστος ανά μονάδα εγκατεστημένης ισχύος (
Watt), η οποία ενδεχομένως να μπορεί μειωθεί σύντομα,
λέει ο κ. Averdung.
Η Oxford Photovoltaics κατασκευάζει τώρα
μια γραμμή παραγωγής στη Γερμανία για να ξεκινήσει να παράγει διαδοχικά στοιχεία
(
tandem
cells) το επόμενο έτος χρησιμοποιώντας «πρότυπες
βιομηχανικές διεργασίες». Όπως αναφέρει ο
Economist, το εργοστάσιο θα χρησιμοποιηθεί για να επιδείξει την
τεχνολογία, η εφαρμογή της οποίας στη συνέχεια θα ανατεθεί με χορηγούμενη άδεια
σε άλλους κατασκευαστές. Ορισμένες λεπτομέρειες εξακολουθούν να είναι μυστικές,
επειδή η εταιρεία συνεργάζεται με μια μεγάλη αλλά ανώνυμη εταιρία ηλιακής
ενέργειας. Η διαδοχική προσέγγιση (
tandem) μειώνει το
εμπόδιο στην είσοδο των στοιχείων περοβσκίτη στην αγορά και επιτρέπει στα νέα
υλικά να αποδείξουν ότι πληρούν τα διάφορα βιομηχανικά πρότυπα. Ωστόσο, ο κ.
Averdung πιστεύει ότι οι περοβσκίτες τελικά θα λειτουργήσουν ως αυτοδύναμα ηλιακά
στοιχεία και όχι μόνο σε συμβατικά πάνελ. Επειδή είναι ημιδιαφανείς, οι ταινίες
στοιχείων περοβσκίτη μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να μετατρέψουν του
υαλοπίνακες σε ηλιακές γεννήτριες, συλλαμβάνοντας μέρος του εισερχόμενου
ηλιακού φωτός επιτρέποντας το υπόλοιπο να περάσει.
Η Saule, εν τω μεταξύ, χρησιμοποιεί εκτύπωση inkjet για να
παράγει τα δικά της στοιχεία περοβσκίτη σε λεπτά πλαστικά φύλλα. Προς το παρόν,
μπορεί να τα μετατρέψει σε μέγεθος Α4 (210mm σε 297mm), αλλά αναμένεται να
επεκτείνει την παραγωγή της σε κλίμακα επιφανείας ενός τετραγωνικού μέτρου. Τα
φύλλα της Saule έχουν απόδοση 10%, οπότε δεν είναι ακόμα ανταγωνιστικά προς τα
πάνελ πυριτίου που βρίσκονται σε μονάδες παραγωγής ηλιακής ενέργειας. Όμως, ο
Artur Kupczunas, συνιδρυτής της εταιρείας, λέει ότι σε συνδυασμό με το χαμηλό
κόστος, την ευελιξία και την έλλειψη βάρους των φύλλων περοβσκίτη, η
αποδοτικότητα του 10% αρκεί για να δικαιολογήσει την εφαρμογή αυτών των φύλλων
στα κελύφη των κτιρίων. Επομένως, τα καθιερωμένα προϊόντα που η Saul ελπίζει να
προωθήσουν την τεχνολογία της είναι τα δομικά στοιχεία που βρίσκονται στις
εξωτερικές επιφάνειες των κτιρίων.
Για το σκοπό αυτό, η Saule έχει χορηγήσει στη Skanska, μία
από τις μεγαλύτερες οικοδομικές εταιρίες της Ευρώπης, το δικαίωμα να
ενσωματώνει εκτυπωμένα φύλλα φωτοβολταϊκών στοιχείων περοβσκίτη σε ορισμένα από
τα δομικά στοιχεία της, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή
προσόψεων. Αυτό θα επιτρέψει στους τοίχους να παράγουν ηλεκτρισμό, μειώνοντας
έτσι το αποτύπωμα άνθρακα ενός κτιρίου και καθιστώντας το πιο ενεργειακά
αυτόνομο. Η Skanska σχεδιάζει να δοκιμάσει τα φύλλα σε ένα γραφείο, πιθανώς
στην Πολωνία, κατά την διάρκεια του τρέχοντος έτους. Καθώς τα φύλλα θα
προστίθενται στα υποστρώματά τους κατά την παραγωγή των δομικών στοιχείων, δεν
θα υπάρχουν πρόσθετα έξοδα εγκατάστασης, όπως τόνισε ο κ. Kupczunas. Με την
πάροδο του χρόνου, αναμένει αύξηση της απόδοσης των φύλλων προς το 26% που έχει
ήδη επιτευχθεί σε εργαστηριακές συνθήκες. Η διαδικασία εκτύπωσης καθιστά επίσης
εύκολη την παραγωγή φύλλων διαφορετικών μεγεθών για διαφορετικές εφαρμογές.
Λόγω του ηλιακού φάσματος απορρόφησης τους, αναμένεται να λειτουργούν καλύτερα
από τα αντίστοιχα στοιχεία πυριτίου σε χαμηλό φωτισμό τις συννεφιασμένες μέρες.
*Ο Αλέξανδρος Περέλλης είναι βοηθός
Ερευνητής στο ΙΕΝΕ