Kan det mest spennende nye solcellematerialet leve opp til hypen sin?

Perovskite lover å være rimeligere og mer effektiv enn silisium - og flere selskaper sier at de er i nærheten av å produsere det i stor skala.

Av

• Casey Crownhart arkivside

29. juni 2021

Willow Technologies

Testing av perovskitt-solceller i laboratoriet krevde tidligere et par anstendige joggesko. Materialene falt fra hverandre så raskt at forskerne ville boltre seg fra der de laget cellene til der de testet dem, og prøvde å måle ytelsen deres før cellene degraderte i hendene deres - vanligvis innen et par minutter.

Perovskitter har lenge trollbundet forskere med løftet om å produsere rimelige, ultraeffektive solceller. Og nå tar flere selskaper store fremskritt mot å produsere kommersielle perovskittsolceller i stor skala.

Men materialenes ustabilitet har truet med å avspore veien til hustak og kraftverk. Selv om noen få selskaper sier at de har løst utfordringen, i det minste godt nok til å bringe foreløpige produkter på markedet i løpet av året, er noen forskere fortsatt skeptiske.

Folk vil at jeg skal si 'Jeg vet med sikkerhet at dette kommer til å bli stabilt, og det kommer til å være effektivt og vi kommer til å erobre verden,' sier Joseph Berry , som leder perovskittforskningsprogrammet ved US National Renewable Energy Laboratory. Og en del av meg tror det, men en del av meg som vitenskapsmann sier: 'Jeg har ikke dataene.'

Slikker sola

Perovskitter er syntetiske materialer, rimelige og relativt enkle å produsere selv i store mengder. Vanlige perovskitter som brukes i solceller er vanligvis noe sånt som metylammoniumblyhalogenid, men perovskittfamilien inkluderer tusenvis av materialer som deler den samme krystallstrukturen. Belagt på en fleksibel base, kan de produsere tynnfilmsolceller som er lette og bøybare.

Mens flere nye solcellematerialer har dukket opp de siste tiårene, har ingen gjort noe særlig ut av markedet, som er dominert av silisium. Det finnes i rundt 95 % av eksisterende solceller.

Noen perovskite selskaper, som Willow Technologies i Warszawa, prøver å etterlate silisium helt. Selskapet, grunnlagt i 2014, utviklet en blekkstråleutskriftsprosess for produksjon av perovskittsolceller innkapslet i en fleksibel plast. Et panel som inneholder Saules celler er omtrent en tidel så tungt som et silisiumpanel av samme størrelse.

I mai åpnet Saule en fabrikk som kan produsere rundt 40.000 kvadratmeter med paneler årlig. Det er nok til å generere rundt 10 megawatt strøm (noen fabrikker som produserer silisiumceller er hundrevis av ganger større).

Relatert historie

Disse fleksible solcellene bringer oss nærmere vanen med fossilt brensel Ingen solenergimateriale har klart å erstatte silisium. Perovskitter, som er langt billigere og kan gjøres om til fleksible moduler, kan endre det.

Mens perovskitter har potensial til å oppnå høy effektivitet (den verdensrekord for en perovskittcelle er bare litt over 25 %), de fleste av de best presterende perovskittcellene i dag er små – mindre enn en tomme brede.

Oppskalering gjør det vanskeligere å nå de potensielle effektivitetsgrensene. Akkurat nå når Saules paneler, som er en meter brede, rundt 10 % effektivitet. Dette overskygges av kommersielle silisiumpaneler av lignende størrelser, som vanligvis oppnår rundt 20 % effektivitet.

Olga Malinkiewicz , Saules grunnlegger og teknologisjef, sier at selskapets mål var å få en solcelle med kun perovskitt ut døren, og de lavere effektivitetene vil ikke ha noen betydning hvis teknologien er billig nok.

Saule prøver å gå dit silisiumsolpaneler ikke vil: til tak som ikke tåler vekten av tunge glasspaneler, eller til mer spesialiserte bruksområder, for eksempel solcelledrevne persienner, som selskapet for tiden tester.

Mens Saule lanserer tynnfilmprodukter for flere nisjeapplikasjoner, håper andre selskaper å slå, eller i det minste bli med, silisium i sitt eget spill. Storbritannia-basert Oxford PV inkorporerer perovskitter i kombinasjonsperovskitt-silisiumceller.

Siden silisium absorberer lys mot den røde enden av det synlige spekteret, og perovskitter kan stilles inn for å absorbere forskjellige bølgelengder, gjør belegg et lag med perovskitt på toppen av silisiumceller det mulig for kombinasjonsceller å oppnå høyere effektivitet enn silisium alene.

Oxford PVs kombinasjonsceller er tunge og stive, som bare silisiumceller. Men siden de har samme størrelse og form, kan de nye cellene enkelt settes inn i paneler for takpaneler eller solfarmer.

Oxford PV kombinerer perovskitt og silisium for å skape høyeffektive solceller.

OXFORD PV

Chris Case , Oxford PVs teknologisjef, sier at selskapet er fokusert på å senke de utjevnede kostnadene for elektrisitet, en beregning som tar hensyn til et systems installasjons- og levetidskostnader. Mens lagdeling av perovskitter på toppen av silisium øker produksjonskostnadene, sier han at de utjevnede kostnadene fra kombinasjonscellen bør synke under silisium over tid fordi disse nye cellene er mer effektive. Oxford har satt flere verdensrekorder i effektivitet for denne typen celler de siste årene, og nådde sist 29,5 %.

Microquanta Semiconductor , et kinesisk perovskittselskap basert i Hangzhou, tar også noen signaler fra silisiumsolceller. Selskapet produserer paneler fra stive, glassinnkapslede celler som er laget med perovskitter.

Microquantas pilotfabrikk åpnet i 2020, og skal nå 100 megawatt kapasitet innen utgangen av året, sier Buyi Yan , selskapets teknologisjef. Selskapet har demonstrasjonspaneler installert på flere bygninger og solfarmer i hele Kina.

Løser for stabilitet

Stabiliteten til perovskitter ble forbedret fra minutter til måneder i løpet av noen få år. Men de fleste silisiumceller som er installert i dag har en garanti på rundt 25 år, et mål som perovskitter kanskje ikke kan nå.

Perovskitter er spesielt følsomme for oksygen og fuktighet, som kan forstyrre bindingene i krystallen, og hindre elektroner i å bevege seg effektivt gjennom materialet. Forskere har jobbet for å forbedre levetiden til perovskitter, både ved å utvikle mindre reaktive perovskittoppskrifter og finne bedre måter å pakke dem på.

Oxford PV, Microquanta og Saule sier alle at de har løst stabilitetsproblemet, i det minste godt nok til å selge sine første produkter.

Estimering av langsiktig ytelse i solceller gjøres vanligvis ved akselerert testing, ved å sette celler eller paneler under ekstra stressende forhold for å simulere år med slitasje. Den vanligste serien med tester for utendørs silisiumceller er en serie kalt IEC 61215.

Oxford og Microquanta har begge bestått testene i denne serien knyttet til celleytelse. Saule har bestått noen av testene, men jobber fortsatt med andre, som fuktighetstesten, sier Malinkiewicz.

Å bestå hele serien betyr vanligvis at et silisiumsolcellepanel vil vare i minst 25 år, selv om forskere ikke kan være sikre på om den samme korrelasjonen gjelder for nye materialer som perovskitter.

Oxford PV screenet noen av de tusenvis av forbindelsene som utgjør perovskittfamilien for å finne mer stabile formuleringer. Selskapet nektet å avsløre ytelsesdetaljer, selv om Case sier at de absolutt forventer at produktene deres vil ha en lignende levetid som silisiumceller. Selskapet installerte testpaneler på et tak i Sentral-Europa i desember 2019, og Case sier så langt at panelene som inneholder deres perovskitt-lagsceller viser samme nedbrytning som kommersielle silisiumpaneler de installerte for sammenligning.

Yan hos Microquanta sier at selskapet installerte testceller utendørs i februar 2020 som fortsatt når samme toppeffekt i dag som da de ble installert.

Microquanta demonstrerer sine solcellepaneler på bygninger og i solfarmer i hele Kina.

MICROQUANTA HALVLEDER

For å forbedre stabiliteten i produktene sine, gjorde Saule endringer i metallkontaktene i cellen, så vel som i perovskittlaget. Saules første generasjon plastomsluttede perovskittceller vil ha minimum 10 års ytelsesgaranti, sier Malinkiewicz. Mens silisiumceller varer lenger, håper hun den lavere prisen og den enkle installasjonen vil overbevise kundene om å akseptere en kortere levetid.

Noen forskere er ikke overbevist av disse påstandene. Stabilitetsspørsmålene har så vidt jeg vet ikke vært særlig godt ivaretatt, sier Letian Dou , en perovskittforsker ved Purdue University i Indiana. Dou sier det er vanskelig å si hva disse selskapene driver med siden de holder den materielle utviklingen hemmelig, selv om han legger til at det er lovende å bestå eksterne tester som IEC 61215.

Dous laboratorium er ett av flere som nylig ble valgt ut til å motta finansiering fra det amerikanske energidepartementet for å prøve å løse noen av teknologiens gjenværende problemer. I mars 2021, kunngjorde avdelingen 40 millioner dollar i tilskudd for å støtte forskning på perovskitter, for det meste for prosjekter fokusert på å forbedre stabiliteten til disse materialene og gjøre dem lettere å produsere.

Selv om perovskittceller får mer finansiering og oppmerksomhet, vil bare tiden vise om de kan konkurrere eller sameksistere med silisium. Likevel er forskerne optimistiske med tanke på at de kan levere billigere og mer tilgjengelig solenergi. Tegnene er alle gode, sier Berry ved National Renewable Energy Laboratory.

Og, legger han til, selv etter år med forskning, vil selskaper som jobber i dette området fortsatt måtte akseptere en viss usikkerhet. Hvis du vil være på blødningskanten, sier han, må du leve med en viss risiko.

gjemme seg