Godinama su solarne ćelije od perovskita bile omiljena zafrkancija u svijetu obnovljive energije. Jeftini su. Lako ih je napraviti. Stalno obaraju rekorde efikasnosti u laboratoriji. Zvuči savršeno, zar ne? Postoji kvaka – velika. Raspadaju se. Brzo.
Perovskitna solarna ćelija će se brzo oštetiti kada je izložena vlazi na otvorenom. Ova visoka stopa oštećenja uzrokovana je kombinovanim efektima vlage, topline i sunčeve svjetlosti, a obično se javlja u roku od nekoliko sedmica ili mjeseci od početnog izlaganja. Ćelija, za koju se nekada smatralo da je obećavajuća tehnologija, više neće ispunjavati standarde kvalitetnog solarnog proizvoda za terensku upotrebu. Stoga, dok su solarni paneli od perovskita generirali veliki publicitet, u ovom trenutku ne postoje komercijalne primjene za njih (na primjer, na krovovima ili u velikim solarnim instalacijama).
U posljednje vrijeme sve veći broj naučnika i inženjera materijala u startupima vjeruje da su otkrili neočekivani materijal koji bi se mogao koristiti za prevazilaženje problema degradacije perovskitnih solarnih ćelija: grafen. Grafen ima neka jedinstvena strukturna svojstva koja mu omogućavaju da prevaziđe ograničenja drugih materijala (npr. staklo, plastika, metali) koji se koriste u izgradnji solarnih ćelija.
Šta je tako posebno u vezi sa listom debljine jednog atoma?
Grafen je u osnovi jedan sloj atoma ugljika, raspoređenih poput pileće žice. Gotovo je potpuno proziran, tanji od svega što možete zamisliti, a ipak oko 200 puta jači od čelika. Takođe se dešava da je to najbolji električni provodnik koji je priroda ikada sanjala – barem u laboratorijskim uslovima.
Evo pametnog dijela. Istraživači su otkrili da možete položiti grafen na ćeliju perovskita ili umiješati male komadiće u slojeve koji okružuju perovskit. Taj tanki karbonski pokrivač radi tri korisne stvari odjednom.
Prvo, djeluje kao hermetički nepropusni kišni ogrtač. Kiseonik i vodena para ne mogu se provući kroz grafensku rešetku. Samo to zaustavlja mnoge hemijske reakcije koje ubijaju ćelije perovskita. Neki timovi su vidjeli kako nezaštićene ćelije umiru za nekoliko stotina sati, dok one obložene grafenom pjevuše hiljadama sati.
Drugo, grafen je nevjerovatan u uklanjanju električnih naboja. Unutar radne solarne ćelije, sunčeva svjetlost stvara parove negativno nabijenih elektrona i pozitivno nabijenih "rupa". Ako se predugo motaju unutar perovskita, uzrokuju probleme – rasipno se rekombinuju ili izazivaju nuspojave. Grapheneova supermoć hvata te naboje i brzo ih izbacuje, što istovremeno štiti ćeliju i malo povećava njenu izlaznu snagu.
Treće – a ovo je iznenadilo mnoge ljude – grafen čini perovskit fizički čvršćim. Izlaganje kristala sunčevoj svjetlosti tokom dana praćeno hlađenjem noću stvara ponovljeni ciklus zagrijavanja i hlađenja s vrlo minimalnim širenjem, a ovo ponovljeno savijanje će na kraju proizvesti mikroskopske pukotine duž granica zrna kristala šećera zbog ekvivalenta smrzavanja i odmrzavanja na trotoarima, itd. jer podržava slaba područja u kristalnoj strukturi. Ako pukotina ipak nastane, ona neće putovati tako brzo kroz kristalnu strukturu.
Od laboratorijskih zanimljivosti do nečega što skoro možete kupiti
Ne tako davno, sve je ovo bilo čisto akademski. Student doktorskih studija proveo bi mjesece praveći sićušnu, ručno rađenu ćeliju od perovskita, pažljivo položio komad grafena na vrh, a zatim bi radio nekoliko stotina sati testova. Uspjelo je, ali niko nije znao kako to učiniti u stvarnom svijetu.
To se menja. Inženjeri su smislili načine za laminiranje gotovih listova grafena na module od perovskita široke nekoliko centimetara. Drugi uzgajaju grafen direktno na ćeliji koristeći metode niskih temperatura. A neki od najpraktičnijih radova uključuju miješanje usitnjenih fragmenata grafena – koji se ponekad nazivaju i nanopločice grafena – u gnjecave slojeve koji se mogu ispisati iznad i ispod perovskita. Za taj pristup nije potreban savršeni, neprekinuti list grafena. Neuredna mreža sitnih grafenskih pahuljica i dalje vam donosi većinu prednosti, uz djelić cijene.
Nekoliko malih kompanija, uglavnom u Kini i Evropi, tiho gradi probne proizvodne linije koristeći ove ideje. Još ne najavljuju velike brojke – industrija je još uvijek oprezna – ali vibracija na nedavnim energetskim konferencijama se promijenila. Ljudi počinju vjerovati da bi ovo zaista moglo funkcionirati izvan čiste sobe.
Šta ovo znači za vaš račun za struju
Ako ćelije perovskita ojačane grafenom ikada dođu do masovne proizvodnje, ekonomija postaje zanimljiva. Silicijumski paneli su već jeftini – oko 10 do 15 centi po vatu – ali za njihovu izradu su potrebne prevruće peći, gadne hemikalije i kruto staklo. Perovskitne ćelije, s druge strane, mogu se štampati kao novine na temperaturi blizu sobne. Sirovine su u izobilju i jeftine. Potencijalni trošak? Neki analitičari šapuću pet centi po vatu ili čak niže.
To bi otprilike prepolovilo cijenu solarne struje. Ali eto šake – niko neće kupiti panel koji propadne nakon dve godine. Komunalije i vlasnici kuća žele garanciju od 25 godina. Bez grafena, perovskit to ne može ni sanjati. Sa grafenom, rani prototipovi sada drže više od 90 posto svoje originalne proizvodnje nakon nekoliko hiljada sati kontinuiranog, brutalnog testiranja. To još uvijek nije 25 godina, ali je hiljadu puta poboljšanje u odnosu na ono gdje je tehnologija stajala prije samo pet godina.
Više od samo krutih panela
Još jedan razlog zašto su ljudi uzbuđeni: fleksibilnost. Silikonske pločice pucaju ako ih pogrešno pogledate. Ali slojevi perovskit-grafena mogu se štampati na tankim plastičnim ili metalnim folijama. To otvara divlje nove upotrebe. Zamislite solarne ćelije laminirane na zakrivljeni krov električnog automobila, ili ušivene u ranac za punjenje telefona, ili omotane oko krila drona. Neki arhitekti se igraju sa poluprozirnim prozorima od perovskita koji stvaraju energiju, a ipak propuštaju svjetlost.
Ništa od toga više nije naučna fantastika. Prototipovi su preživjeli hiljade krivina bez znojenja. Kombinacija efikasnosti perovskita i žilavosti i provodljivosti grafena otključava aplikacije koje silicijum jednostavno ne može dodirnuti.
Još uvijek treba raditi, ali put postaje jasniji
Budimo iskreni – grafen sam po sebi nije savršen. Dosljedno i jeftino napraviti visokokvalitetni, jednoslojni grafen i dalje je teže nego što zvuči. Cijene su znatno pale u protekloj deceniji, ali još uvijek nisu dovoljno niske za jeftine solarne panele. I niko nije dokazao da ploča od grafena-perovskita zaista može trajati 20 godina na otvorenom. Za takvu vrstu podataka je potrebno vrijeme.
Ipak, zamah je stvaran. Više od stotinu familija patenata sada pokriva kombinacije grafena i perovskita. Investicioni novac teče u startape koji su se smijali sa sastanaka. Čak i neki veliki proizvođači silikonskih panela tiho finansiraju istraživanje i razvoj perovskita, samo u slučaju da stara tehnologija preskoči.
To nije garancija. Ali to je znak najveće nade koji su perovskitne solarne ćelije vidjele u posljednje vrijeme.
