„Oxford PV“, firma koja se nalazi u vlasništvu istoimenog univerziteta, počeće ove godine da proizvodi kompozitne solarne panele od silicijum dioksida i perovskita, od kojih se očekuje barem 20% više električne energije po kvadratnom metru panela.
Mineral perovskit pronašao je 1839. godine Nemac Gustav Rouz na Uralu i dao mu je ime po ruskom kolegi Levu Andrejeviču Perovskom. Prošlo je skoro dvesta godina dok japanski hemičar Cutomu Miasaka 2006. godine nije otkrio da poluprovodnička svojstva ovog minerala omogućavaju pretvaranje sunčeve u električnu energiju. Od tada se u vezi sa perovskitom više ništa ne događa sporo, jer je odmah označen kao najperspektivniji pravac u daljem razvoju solarne energije.
Ipak, pravi start u globalnoj trci za komercijalizovanje perovskita počeo je 2012. godine. Tada su naučnici prvi put uspeli da od njega naprave solarnu ćeliju koja je 10% apsorbovane sunčeve energije pretvarala u električnu energiju. Posle toga, sve do danas se međusobno prestižu saopštenja o dostignućima brojnih istraživačkih centara širom sveta, a među najnovijim je ono iz nemačkog instituta Helmholc Central Berlin (HZB).
Naučnici sa pomenutog instituta pohvalili su se krajem prošle godine da su kombinovanjem klasičnih solarnih panela od silicijum dioksida sa onim sačinjenim od perovskita, postigli novi svetski rekord u efikasnosti pretvaranja sunčeve u električnu energiju, koji sada iznosi 32,5%. HZB je takođe saopštio da će sa grupom nemačkih i švajcarskih investitora i instituta krenuti sa komercijalizacijom proizvoda od perovskita.
Ovo je prst u oko firmi „Oxford PV“, koja je u većinskom vlasništvu Univerziteta Oksford, ne samo zato što je do pre neku godinu ona bila vlasnik pomenutog rekorda, već i stoga što ove godine u nemačkom Brandenburgu počinje sa radom njena fabrika za proizvodnju kompozitnih solarnih panela od silicijum dioksida i perovskita. Istovremeno, sličnih projekata ne manjka ni u SAD, Japanu, Kini i drugim zemljama.
U čemu je privlačnost perovskita?
Zašto perovskit privlači toliku pažnju najbolje se može objasniti ograničenjima silicijum dioksida od kojeg se prave sadašnji solarni paneli. Njihove najveće mane su nizak stepen pretvaranja sunčeve u električnu energiju, te skupa i složena izrada panela koja troši puno energije i ekološki je problematična. Uz to, težina panela i nefleksibilna struktura ograničavaju mogućnosti montaže, koja se mahom izvodi na krovovima zgrada. Perovskit je gotovo antipod svemu ovome, a pri tom je moguće ostvariti sinergetski efekat kombinacijom ova dva materijala, što je okosnica trenutnih napora koje preduzimaju „Oxford PV“, „HZB“ i većina drugih proizvođača.
Silicijum dioksid nije ni redak ni skup materijal, ali njegova prerada u solarne panele iziskuje visoke temperature i precizne alate, pa je taj tehnološki postupak zahtevan i skup. Uprkos tome, prema podacima Internacionalne agencije za obnovljivu energiju (IRENA) iz 2021. godine, cena ovih panela smanjena je u protekloj deceniji za čak 85%. Tome su doprinele značajne državne subvencije za podsticanje proizvodnje energije iz obnovljivih izvora, kao i ekonomija obima usled globalnog prodora kineskih proizvođača.
Poboljšana je i efikasnost solarnih panela, koji sada uspevaju da oko 20% apsorbovane sunčeve energije pretvore u električnu energiju. Međutim, sam način prerade silicijum dioksida i činjenica da njegovi kapaciteti za pretvaranje sunčeve u električnu energiju ne prelaze 29%, ograničavaju dalje tehnološke prodore, a time i mogućnosti za značajnija pojeftinjenja u budućnosti.
Perovskit je po hemijskom sastavu kalcijum titanat (CaTiO3), ali se danas tako nazivaju svi materijali sličnog sastava, a karakteristične kristalne strukture, tako da ni on ne spada u retke i skupe sirovine. Pored poluprovodničkih svojstava, pogodnim za komercijalizaciju ga čini i to što se jednostavno može menjati njegova struktura na sobnim temperaturama, dodavanjem ili oduzimanjem određenih elemenata iz njegovog sastava. Jeftinija i ekološki prihvatljivija tehnologija prerade trebalo bi da rezultira i jeftinijim proizvodima od onih na bazi silicijum dioksida.
Osim navedenog, pervoskit je delimično proziran, lakši i elastičniji materijal koji ne mora da se oblikuje samo u vidu krutih ploča. Zato se otvaraju vrata za sasvim nove mogućnosti u primeni solarnih panela, uključujući eventualnu ugradnju na fasadama nekih građevinskih objekata, karoserijama prevoznih sredstava i drugo.
Istraživačima je uzbudljivo što silicijum dioksid u električnu energiju pretvara crveni spektar sunčeve svetlosti, dok perovskit to čini korišćenjem plavog spektra. Zato se sadašnja istraživanja najviše bave kombinovanjem ovih materijala u vidu različitih slojeva, što omogućuje viši stepen iskorišćenosti iste količine sunčeve svetlosti, ili dobijanje iste energije sa manje površine panela. „Oksford PV“ tvrdi da se nanošenjem dodatnog sloja perovskita na klasične solarne panele od silicijum dioksida obezbeđuje najmanje 20% više električne energije po kvadratnom metru i u šali to naziva „solarnim panelima na steroidima“. S druge strane, „HZB“ je nedavno pokazao da stepen iskorišćenosti sunčeve energije kod ovakvih panela verovatno može da premaši 40% u budućnosti.
Na taj način, ova tehnologija postaje konkurentna se drugim načinima dobijanja električne energije. Odgovarajuća efikasnost vetro turbina kreće se u rasponu 30-45%, savremenih termoelektrana koje sagorevaju ugalj 35-50%, a kod modernih hidroelektrana dostiže čak 90%. Do sada je najveća prednost solarne energije bila samo u izobilju sunčeve energije i njenoj dostupnosti širom planete, ali bi napredak u efikasnosti solarnih panela imao ogroman značaj u borbi sa klimatskim promenama.
Đavo je u detaljima
Istražuju se i druge oblasti u kojima je moguća primena perovskita, ali su najdalje otišla otkrića u oblasti solarne energije. Iako se u ovom trenutku najviše očekuje od solarnih panela koje će tržištu uskoro ponuditi „Oksford PV“, to ne znači da se i sada ne nude određeni proizvodi, od kojih su neki u vidu spreja. Portal „Precendence resarch“ procenjuje da je u 2021. godini globalno tržište bazirano na perovskitu vredelo relativno skromnih 600 miliona dolara, ali predviđa da će ono rasti po godišnjoj stopi od 31,8% i već u 2030. godini dostići vrednost od oko 7,2 milijardi dolara.
Iz ovoga se vidi da su istraživanja perovskita odmakla daleko od naučnih laboratorija i da nisu okončana akademskim radovima u kojima su se ranijih godina takođe najavljivale revolucije u razvoju solarnih panela, zasnovane na materijalima kadmijum telurid, bakar indijum galijum selenid ili na organskim materijalima. Međutim, mora se imati u vidu da ni u slučaju perovskita nisu prevaziđena sva ograničenja.
Jedno od najvećih je krhkost ovog materijala i opadanje njegove funkcionalnosti kada je duže izložen vlazi, a posebno visokim temperaturama poput onih u pustinjskim područjima, što se sada uglavnom rešava zaštitnim staklenim slojevima. Problem predstavlja i korišćenje olova u proizvodnom procesu i teškoće da se taj potencijalno štetan materijal ukloni iz krajnjih proizvoda.
Ipak, brojnost istraživanja koja su trenutno u toku i kredibilitet institucija koje uglavnom stoje iza njih, ulivaju nadu da optimističke najave ovaj put nisu bez osnova. Moguće je da će to biti materijal sa kojim ćemo se sve češće susretati, možda i u sasvim neočekivanim oblicima ili područjima primene.
Vladan Žarković
