211service.com
Kan det mest spændende nye solcellemateriale leve op til sin hype?
Perovskite lover at være billigere og mere effektiv end silicium - og flere virksomheder siger, at de er tæt på at producere det i skala.
29. juni 2021
Willow Technologies
At teste perovskit-solceller i laboratoriet krævede tidligere et par anstændige løbesko. Materialerne faldt fra hinanden så hurtigt, at videnskabsmænd ville boltre sig fra det sted, hvor de lavede cellerne, til det sted, hvor de testede dem, og prøvede at måle deres ydeevne, før cellerne blev nedbrudt i deres hænder - normalt inden for et par minutter.
Perovskites har længe fortryllet forskere med løftet om at producere billige, ultraeffektive solceller. Og nu gør flere virksomheder store fremskridt i retning af at producere kommercielle perovskit-solceller i stor skala.
Men materialernes ustabilitet har truet med at afspore deres vej til hustage og kraftværker. Selvom nogle få virksomheder siger, at de har løst udfordringen, i det mindste godt nok til at bringe foreløbige produkter på markedet inden for året, er nogle forskere stadig skeptiske.
Folk vil have mig til at sige 'Jeg ved med sikkerhed, at det her vil være stabilt, og det vil være effektivt, og vi vil erobre verden,' siger Joseph Berry , der leder perovskitforskningsprogrammet ved US National Renewable Energy Laboratory. Og en del af mig tror på det, men en del af mig som videnskabsmand siger: 'Jeg har ikke dataene.'
Nyder solen
Perovskites er syntetiske materialer, billige og relativt enkle at fremstille selv i store mængder. Almindelige perovskitter, der bruges i solcelleanlæg, er typisk noget som methylammoniumblyhalogenid, men perovskitfamilien omfatter tusindvis af materialer, der deler den samme krystalstruktur. Belagt på en fleksibel base kan de producere tyndfilmssolceller, der er lette og bøjelige.
Mens flere nye solcellematerialer er dukket op i de seneste årtier, har ingen gjort det store indhug på markedet, som er domineret af silicium. Det findes i omkring 95 % af eksisterende solceller.
Nogle perovskite virksomheder, som Willow Technologies i Warszawa, forsøger at efterlade silicium helt. Virksomheden, der blev grundlagt i 2014, udviklede en inkjet-printproces til fremstilling af perovskit-solceller indkapslet i en fleksibel plast. Et panel, der indeholder Saules celler, er omkring en tiendedel så tungt som et siliciumpanel af samme størrelse.
I maj åbnede Saule en fabrik, der årligt kan producere omkring 40.000 kvadratmeter paneler. Det er nok til at generere omkring 10 megawatt strøm (nogle fabrikker, der producerer siliciumceller, er hundredvis af gange større).
Relateret historie
Disse fleksible solceller bringer os tættere på at slippe af med vanen med fossilt brændstof Intet solmateriale har formået at erstatte silicium. Perovskites, som er langt billigere og kan laves om til fleksible moduler, kunne ændre på det.Mens perovskitter har potentialet til at nå høj effektivitet (den verdensrekord for en celle med kun perovskit er lidt over 25 %), er de fleste af de bedst ydende perovskit-celler i dag små - mindre end en tomme brede.
Opskalering gør det sværere at nå de potentielle effektivitetsgrænser. Lige nu når Saules paneler, som er en meter brede, op på omkring 10 % effektivitet. Dette overskygges af kommercielle siliciumpaneler af lignende størrelser, som typisk rammer omkring 20 % effektivitet.
Olga Malinkiewicz , Saules grundlægger og teknologichef, siger, at virksomhedens mål var at få en solcelle, der kun er perovskit, ud af døren, og de lavere effektiviteter vil ikke betyde noget, hvis teknologien er billig nok.
Saule forsøger at gå, hvor siliciumsolpaneler ikke vil: til tage, der ikke kan klare vægten af tunge glasindkapslede paneler, eller til mere specialiserede applikationer, såsom solcelledrevne persienner, som virksomheden i øjeblikket tester.
Mens Saule lancerer tyndfilmsprodukter til flere nicheapplikationer, håber andre virksomheder at slå, eller i det mindste slutte sig til, silicium i deres eget spil. Storbritannien-baseret Oxford PV inkorporerer perovskiter i kombinationsperovskit-siliciumceller.
Da silicium absorberer lys mod den røde ende af det synlige spektrum, og perovskiter kan indstilles til at absorbere forskellige bølgelængder, gør belægning af et lag af perovskit oven på siliciumceller det muligt for kombinationsceller at opnå højere effektivitet end silicium alene.
Oxford PVs kombinationsceller er tunge og stive, ligesom celler kun silicium. Men da de har samme størrelse og form, kan de nye celler nemt sættes ind i paneler til tagterrasser eller solfarme.
Oxford PV kombinerer perovskit og silicium for at skabe højeffektive solceller.
OXFORD PVChris Case , Oxford PV's teknologichef, siger, at virksomheden er fokuseret på at sænke de udjævnede omkostninger til elektricitet, et mål, der tager højde for et systems installations- og levetidsomkostninger. Mens lagdeling af perovskiter oven på silicium øger produktionsomkostningerne, siger han, at de udjævnede omkostninger fra kombinationscellen bør dykke under silicium over tid, fordi disse nye celler er mere effektive. Oxford har sat adskillige verdensrekorder i effektivitet for denne type celler i de sidste par år, senest nået op på 29,5%.
Microquanta Semiconductor , en kinesisk perovskite-virksomhed baseret i Hangzhou, tager også nogle signaler fra siliciumsolceller. Virksomheden fremstiller paneler af stive, glasindkapslede celler, der er lavet med perovskiter.
Microquantas pilotfabrik åbnede i 2020 og skulle nå op på 100 megawatt kapacitet ved udgangen af året, siger Buyi Yan , virksomhedens teknologichef. Virksomheden har demonstrationspaneler installeret på adskillige bygninger og solfarme i hele Kina.
Løsning for stabilitet
Stabiliteten af perovskitter blev forbedret fra minutter til måneder inden for et par år. Men de fleste siliciumceller, der er installeret i dag, har en garanti på omkring 25 år, et mål, som perovskites måske endnu ikke er i stand til at nå.
Perovskites er særligt følsomme over for ilt og fugt, som kan forstyrre bindingerne i krystallen og forhindre elektroner i at bevæge sig effektivt gennem materialet. Forskere har arbejdet på at forbedre levetiden for perovskiter, både ved at udvikle mindre reaktive perovskit-opskrifter og finde bedre måder at pakke dem på.
Oxford PV, Microquanta og Saule siger alle, at de har løst stabilitetsproblemet, i det mindste godt nok til at sælge deres første produkter.
Estimering af langsigtet ydeevne i solceller udføres normalt ved accelereret testning, ved at sætte celler eller paneler under ekstra stressende forhold for at simulere års slitage. Den mest almindelige suite af tests for udendørs siliciumceller er en serie kaldet IEC 61215.
Oxford og Microquanta har begge bestået testene i denne serie relateret til celleydelse. Saule har bestået nogle af testene, men arbejder stadig på andre, som f.eks. fugttesten, siger Malinkiewicz.
At bestå hele serien betyder normalt, at et siliciumsolpanel holder mindst 25 år, selvom forskere ikke kan være sikre på, om den samme sammenhæng gælder for nye materialer som perovskiter.
Oxford PV screenede nogle af de tusindvis af forbindelser, der udgør perovskit-familien, for at finde mere stabile formuleringer. Virksomheden afviste at afsløre ydeevnedetaljer, selvom Case siger, at de absolut forventer, at deres produkter har en levetid, der svarer til siliciumceller. Virksomheden installerede testpaneler på et tag i Centraleuropa i december 2019, og Case siger indtil videre, at panelerne, der indeholder deres perovskit-lagceller, viser den samme nedbrydning som kommercielle siliciumpaneler, de installerede til sammenligning.
Yan hos Microquanta siger, at virksomheden installerede testceller udendørs i februar 2020, som stadig når den samme maksimale effekt i dag, som da de blev installeret.
Microquanta demonstrerer sine solpaneler på bygninger og i solfarme i hele Kina.
MICROQUANTA SEMICONDUCTORFor at forbedre stabiliteten i sine produkter foretog Saule ændringer i metalkontakterne i cellen såvel som på perovskitlaget. Saules første generation af plastindkapslede perovskitceller vil have en minimum 10-års ydeevnegaranti, siger Malinkiewicz. Mens siliciumceller holder længere, håber hun, at den lavere pris og den nemme installation vil overbevise kunderne om at acceptere en kortere levetid.
Nogle forskere er ikke overbevist af disse påstande. Stabilitetsproblemerne er, så vidt jeg ved, ikke blevet behandlet særlig godt, siger Letian Dou , en perovskitforsker ved Purdue University i Indiana. Dou siger, at det er svært at sige, hvad disse virksomheder har gang i, da de holder deres materielle udvikling hemmelig, selvom han tilføjer, at det er lovende at bestå eksterne tests som IEC 61215.
Dous laboratorium er et af flere, der for nylig blev udvalgt til at modtage finansiering fra det amerikanske energiministerium for at forsøge at løse nogle af teknologiens resterende problemer. I marts 2021, meddelte afdelingen 40 millioner dollars i tilskud til at støtte forskning i perovskiter, hovedsageligt til projekter fokuseret på at forbedre stabiliteten af disse materialer og gøre dem lettere at fremstille.
Selvom perovskitceller får mere finansiering og opmærksomhed, vil kun tiden vise, om de kan konkurrere eller sameksistere med silicium. Alligevel er forskere optimistiske med hensyn til udsigten til, at de kan levere billigere, mere tilgængelig solenergi. Tegnene er alle gode, siger Berry ved National Renewable Energy Laboratory.
Og, tilføjer han, selv efter mange års forskning vil virksomheder, der arbejder i dette område, stadig skulle acceptere en vis usikkerhed. Hvis du vil være på blødningskanten, siger han, bliver du nødt til at leve med en vis risiko.