Panel słoneczny kojarzy się z ciężką taflą przykręconą do dachu. Finansowany przez Unię Europejską projekt DIAMOND pracuje nad czymś innym: cienką warstwą kryształów perowskitu, która przechwytuje energię z bardzo wysoką sprawnością i którą da się wytwarzać w Europie. Za takim materiałem stoją fizyka ciała stałego, chemia materiałów i inżynieria procesu, czyli konkretne kierunki i ludzie, którzy będą musieli to umieć zrobić — a na końcu pięć pytań o to, na ile taka praca jest dla Ciebie.
Oryginalny materiał CORDIS pyta, w jaki sposób drukarka mogłaby zasilać się sama. To nie zapowiedź nowego gadżetu, tylko obrazek pokazujący zmianę sposobu myślenia: jeśli ogniwo słoneczne przestaje być sztywną taflą, a staje się cienką warstwą nakładaną na powierzchnię, to zaczyna się je traktować jak powłokę, którą gdzieś się nanosi, a nie jak moduł, który trzeba gdzieś przykręcić. O tej zmianie jest finansowany przez Unię Europejską projekt DIAMOND, prezentowany w kolejnym epizodzie serii filmów objaśniających CORDIS „Make the connection with EU science”.
Perowskit to nazwa pewnego typu struktury krystalicznej, a nie jednego konkretnego materiału. Technologia perowskitowa wykorzystuje cienką warstwę takich kryształów i właśnie to pozwala przechwytywać energię z niezwykle wysoką sprawnością. Różnica wobec klasycznego panelu jest zasadnicza. Ogniwo krzemowe wymaga stosunkowo grubego i bardzo czystego plastra materiału. Warstwa perowskitu jest cienka, a to zmienia niemal wszystko dookoła: ile materiału trzeba zużyć, ile energii pochłania sama produkcja i jak sztywna musi być konstrukcja, która tę warstwę niesie.
Stąd bierze się też druga obietnica z podtytułu artykułu, czyli mniejszy ślad węglowy. Ślad węglowy panelu to suma emisji, które powstały, zanim panel w ogóle zaczął pracować: przy wydobyciu i oczyszczaniu surowca, przy wygrzewaniu, przy transporcie. Panel spłaca ten dług dopiero latami pracy. Im mniej materiału i mniej energii pochłania wytworzenie warstwy, tym szybciej wychodzi na swoje.
W artykule pada zdanie, które dla laika brzmi zaskakująco: obecna technologia krzemowa osiąga już swój teoretyczny limit. Nie chodzi o to, że inżynierom zabrakło pomysłów. Sprawność ogniwa, zapisywana skrótem PCE, mówi, jaka część energii padającego światła zamienia się w energię elektryczną. Reszta nie znika. Część światła w ogóle nie zostaje wykorzystana, bo jego kwanty niosą za mało energii, by uwolnić ładunek w materiale; część przeciwnie, niesie jej za dużo, a nadmiar zamienia się w ciepło. Obie straty wynikają z samej fizyki materiału, więc dla pojedynczego ogniwa zbudowanego z jednego materiału da się policzyć granicę, powyżej której nie przeskoczy żadna sztuczka technologiczna. Krzem jest bardzo blisko swojej i dlatego szuka się nowych materiałów, a nie kolejnej optymalizacji starego.
Wynik zespołu koordynator projektu, Uli Würfel, opisuje tak: „Z niezwykłą satysfakcją odnotowaliśmy wskaźnik PCE ogniw słonecznych na poziomie niewiele powyżej 27%, bijąc tym samym ówczesny światowy rekord dla ogniw słonecznych z krzemu krystalicznego”. To zdanie warto przeczytać dokładnie. Mowa o pomiarze laboratoryjnym, o ogniwie i o rekordzie z określonego momentu, a nie o panelu gotowym na dach. Jest to natomiast mocny sygnał, że nowy materiał potrafi wyjść ponad to, co osiąga technologia dojrzała i dopracowana przez dekady.
Würfel przekonuje, że „stabilne, niedrogie i możliwe do produkcji w Europie ogniwa fotowoltaiczne z perowskitu reprezentują nową generację energii słonecznej”. W tym jednym zdaniu ukryta jest lista warunków, które muszą zostać spełnione naraz:
Żaden z tych warunków nie jest osobnym zadaniem. Zwykle ciągną w przeciwne strony: to, co poprawia stabilność, bywa drogie, a to, co przyspiesza produkcję, potrafi obniżyć sprawność. Godzenie takich sprzeczności to codzienna praca inżyniera procesu.
Artykuł zaznacza, że niemal cała produkcja energii słonecznej odbywa się w Azji. Dla Europy to pytanie nie tylko o rachunki, ale o to, kto trzyma w ręku łańcuch dostaw. Koordynator mówi o tym wprost: „Wyniki naszych badań potwierdzają potencjał perowskitowej technologii fotowoltaicznej, która po wdrożeniu w przemyśle stworzy nowe miejsca pracy i zmniejszy zależność od importu paneli fotowoltaicznych, a ostatecznie także od samej energii”. Nowa technologia daje moment, w którym można wejść do gry od początku, bo nikt nie ma jeszcze gotowych fabryk ani wypracowanej przewagi. Po stronie studiów stoją za tym fizyka ciała stałego, chemia materiałów, inżynieria materiałowa i inżynieria procesu, a w praktyce także metrologia, bo ktoś musi wiarygodnie zmierzyć, czy warstwa robi to, co obiecuje.
Energia słoneczna jest kluczowa dla realizacji unijnych celów klimatycznych, a technologia, która ją dziś zapewnia, dochodzi do granicy wyznaczonej przez fizykę materiału. Projekt DIAMOND pokazuje alternatywę: cienką warstwę kryształów perowskitu, wynik nieco powyżej 27% sprawności w laboratorium i plan, w którym takie ogniwa powstają w Europie. Droga od rekordu do dachu prowadzi przez stabilność, koszt i powtarzalny proces, a na tym właśnie odcinku potrzebni będą ludzie, którzy dopiero wybierają kierunek studiów.
5 pytań · minuta · bez zapisywania
poleca:
