Nauka

Ogniwo Olgi

Polka z Walencji i jej przełomowe odkrycie

Ogniwa perowskitowe udoskonalone przez Polkę. Ogniwa perowskitowe udoskonalone przez Polkę. Olga Maliniewicz / materiały prasowe
Tanie i wydajne ogniwa fotowoltaiczne, którymi łatwo można pokryć duże powierzchnie dachów i ścian, a nawet okna i ubrania, już wkrótce mogą się stać powszechnie dostępne. Przełomową technologię opracowała polska fizyczka z uniwersytetu w Walencji Olga Malinkiewicz.
Olga Malinkiewicz, polska fizyczka pracująca na Uniwersytecie w Walencji.Joel Moreno Fernandez Olga Malinkiewicz, polska fizyczka pracująca na Uniwersytecie w Walencji.
Kryształ perowskitu.Andrew Silver/Wikipedia Kryształ perowskitu.

Diagnoza kondycji światowej energetyki jest jasna: paliwa kopalne, jak ropa, węgiel, gaz, muszą przejść do historii. Nawet gdyby końca ich dni nie zapowiadała intensywna eksploatacja złóż, musielibyśmy je porzucić jak zły nałóg, bo coraz bardziej nam szkodzą (zanieczyszczają powietrze, skażają wody gruntowe, morskie i gleby, powstające przy spalaniu tych paliw gazy cieplarniane grożą nieodwracalnymi zmianami klimatycznymi). Tak jak jasna jest diagnoza, oczywiste jest i remedium: uratować nas może energia Słońca. Problematyczna jest za to metoda. Ogniwa słoneczne, których dziś używamy – wykorzystujące głównie krzem – są zbyt drogie i za mało wydajne, by można było dzięki nim znacząco ograniczyć spalanie paliw kopalnych. W dodatku trudno je wytworzyć i nie wszędzie da się zastosować. W efekcie produkcja jest mało opłacalna, w Europie bez dofinansowania nie miałaby racji bytu.

Według Departamentu Energii USA panele słoneczne staną się konkurencyjne wobec paliw kopalnych, gdy koszt produkowanej przez nie energii spadnie do poziomu 50 centów za wat. Dziś wynosi zazwyczaj ok. 75 centów. Przy obecnych technologiach takie usprawnienie wydaje się mało prawdopodobne. Ogniwa są albo relatywnie wydajne, o efektywności (mierzonej jako stosunek wyprodukowanej energii elektrycznej do zaabsorbowanej energii słonecznej) sięgającej nawet powyżej 40 proc., ale bardzo drogie – co nie jest wykluczającą je wadą chyba tylko w astronautyce – albo z kolei względnie przystępne cenowo, za to o efektywności na poziomie kilkunastu procent. Najpopularniejsze, praktycznie dominujące na komercyjnym rynku, są ogniwa fotowoltaiczne na bazie krzemu. Te tańsze, wykorzystujące krzem amorficzny, osiągają maksymalnie 13-proc. efektywność. Te droższe, z krzemem krystalicznym – 25-proc. W czysto ekonomicznej kalkulacji żadne z tych ogniw zwyczajnie nie ma dla nas sensu.

Jedynym wyjściem z impasu są ogniwa fotowoltaiczne pozbawione wymienionych słabości – co oznacza konieczność zastosowania nowej technologii. I wszystko wskazuje, że naukowcom wreszcie udało się trafić na właściwy trop. Nadzieją są, typowane na następców krzemu, perowskity. Koszt wytwarzania prądu z promieni słonecznych ma spaść z dzisiejszych 75 centów do zaledwie 20, a może nawet 10 centów za wat. A niskie koszty są zaledwie jedną z kilku przewag paneli słonecznych przyszłej generacji nad dzisiaj stosowanymi ogniwami.

Perowskity to grupa nieorganicznych związków chemicznych. Za jej reprezentatywnego przedstawiciela uznano tytanian wapnia – minerał odkryty w 1838 r. w górach Ural przez Gustava Rose’a. Niemiecki mineralog nazwał go perowskitem, by uhonorować swego rosyjskiego kolegę po fachu Lwa Aleksiejewicza hrabiego Perowskiego. Nazwa rozciąga się na całą grupę, dziś mianem perowskitów określa się także związki wytworzone w laboratorium, o tożsamej strukturze krystalicznej (ten sam układ przestrzenny atomów, ten sam typ siatki krystalicznej).

Superpochłaniacz światła

Jedną z wielu atrakcyjnych cech perowskitów jest – w przypadku niektórych z nich – bardzo dobre pochłanianie światła. Z tego powodu rozpoczęto badanie ich przydatności jako budulca ogniw fotowoltaicznych. Pod koniec 2012 r. wyniki swoich badań ogłosiła grupa Henry’ego Snaitha z uniwersytetu w Oksfordzie: zbudowane przez nią ogniwa perowskitowe osiągnęły wydajność typowych paneli opartych na krzemie amorficznym.

Prawdziwą sensacją okazał się jednak artykuł opublikowany w „Nature Photonics” niedługo potem. Jego główną autorką jest Olga Malinkiewicz – pochodząca z Polski fizyczka, obecnie pracująca na uniwersytecie w Walencji. Opracowana przez Malinkiewicz technologia jest przede wszystkim zdecydowanie tańsza od zaproponowanej przez Oksford. Polce udało się uprościć budowę ogniwa, zastępując relatywnie drogie komponenty tanimi. Nie mniej istotne okazało się wyeliminowanie z procesu wytwarzania bardzo wysokiej temperatury. Stało się to możliwe dzięki rezygnacji z dwutlenku tytanu, wymagającego podgrzewania do ok. 500 st. C. Dodatkową korzyścią ze schłodzenia procesu technologicznego – oprócz, rzecz jasna, istotnie niższych kosztów – jest możliwość nanoszenia perowskitowych ogniw słonecznych nawet na plastiki, folie i tkaniny. Technologia Henry’ego Snaitha z Oksfordu ogranicza wybór podłoża praktycznie jedynie do szkła.

Metoda Olgi Malinkiewicz otwiera niezwykle szerokie pole potencjalnych zastosowań. Można będzie łatwo i tanio pokrywać ogniwami fotowoltaicznymi olbrzymie powierzchnie: dachy, całe ściany budynków. Karoserie samochodów. Tylne ścianki tabletów, telefonów komórkowych, a nawet ekranów note­booków, by przedłużyć ich działanie na baterii. Odzież zimową – by przetworzona na prąd energia Słońca zasilała podgrzewacze, lub odzież letnią – zapewniając w ten sposób pracę elektronicznym gadżetom, vide Google Glass.

Ogniwa perowskitowe da się wmontowywać w okienne szyby, mimo że – jako znakomity pochłaniacz widma słonecznego w całym jego widzialnym spektrum – są bardzo ciemne, brązowawo-czarne. Jest to możliwe za sprawą kolejnej z przewag tego budulca nad krzemem. Aby ogniwo perowskitowe działało, wystarczy warstwa grubości niespełna jednego mikrometra, podczas gdy w przypadku ogniw krzemowych do przechwycenia tej samej ilości światła potrzebna jest powłoka aż ok. 180-mikrometrowa. Perowskit jest w stanie zaabsorbować niemal całe padające nań światło słoneczne już przy grubości 300–400 nanometrów. Stosując warstwy ultracienkie (do 100 nanometrów), da się wbudować taką strukturę w szybę, zachowując wystarczającą przezroczystość. Nawet jeśli kosztem będzie lekkie przyciemnienie, w biurowcach nie powinno to przeszkadzać. Henry Snaith jest już zresztą gotów, by sprostać wyzwaniu. Z myślą o budowie takich właśnie wytwarzających elektryczność okien założył firmę Oxford Photovoltaics. Jednym z jej celów jest, bagatela, „pomoc w uzyskaniu przez Wielką Brytanię pozycji światowego lidera na globalnym rynku energetycznym”.

Rozpoczął się wyścig

Od czasu publikacji Snaitha i Malinkiewicz perowskity to najbardziej, nomen omen, elektryzujący temat w dziedzinie fotowoltaiki. Rozpoczął się wyścig o to, kto bardziej podniesie efektywność nowej generacji ogniw. Dziś, choć omawiana technologia dopiero raczkuje, sięga ona aż 15 proc. Naukowcy wyrażają nadzieję, że docelowo można będzie nawet przekroczyć 40 proc. Michael Grätzel, profesor Politechniki Federalnej w Lozannie, za swe osiągnięcia w pracy nad ogniwami słonecznymi typowany na żelaznego kandydata do Nagrody Nobla, nie ma wątpliwości: perowskity to przyszłość energetyki. Bo uzyskana dzięki nim energia będzie „śmiesznie tania”.

Jaki jest hipotetyczny czas zwrotu inwestycji liczonej w energii (ang. energy payback time)? W przypadku ogniw z amorficznego krzemu ilość wyprodukowanej przez nie energii zrównoważy ilość energii zużytej do ich wytworzenia dopiero po roku do dwóch. W przypadku ogniw z krzemu krystalicznego czas ten wynosi aż cztery lata. A ogniwa z perowskitów? Według prof. Grätzela bilansują się już po dwóch miesiącach. To oznacza, że zapowiadają się na najbardziej zielone źródło energii w historii.

Do niedawna jednym z największych hamulców w opracowaniu przemysłowej technologii budowy ogniw perowskitowych była niemożność osiągnięcia satysfakcjonującej wydajności przy dużej powierzchni danego ogniwa. Sensowną efektywność udawało się wyciskać z konstrukcji mniejszych niż 0,1 cm kw. Przy próbach ich powiększania ­efektywność gwałtownie spadała. Nic dziwnego, że Gary Hodes i David Cahen, eksperci z Instytutu Nauki Weizmanna w Izraelu, uznali stworzenie wydajnego ogniwa o powierzchni aż dziesięciokrotnie większej (1 cm kw.) za kamień milowy. Zaprojektowała je i wykonała Olga Malinkiewicz. W typowo wyposażonym laboratorium uniwersytetu w Walencji i to z myślą nie o fotowoltaice, ale o badaniach nad elektroluminescencją, bo to właśnie jest przedmiotem prac zespołu dr. Henka Bolinka, w skład którego wchodzi młoda doktorantka z Polski.

Gdy rozpoczynałam swoje badania, nasz zespół nie brał udziału w żadnym projekcie związanym z fotowoltaiką – mówi Malinkiewicz. – Nie mieliśmy na to funduszy z uczelni, nie dysponowaliśmy nawet dobrym symulatorem słonecznym. Z braku środków jedyną w zespole osobą zajmującą się fotowoltaiką byłam ja. Gdy prof. Mohammad K. Nazeeruddin z laboratorium prof. Michaela Grätzela zwrócił się do mojego szefa dr. Henka Bolinka o pomoc w badaniach nad perowskitami – nasze zespoły współpracowały już wcześniej na innych polach – byłam zdana na siebie. Ale lubię takie wyzwania.

Polska fizyczka, jak wspomina, przez miesiąc niemal nie wychodziła z laboratorium. Aby to było możliwe, wysłała swego trzyletniego synka Leo na ten czas do Polski, pod opiekę babci. Wszystkie te poświęcenia przyniosły rezultat, którego nie spodziewał się chyba nikt. – Olga jest utalentowaną eksperymentatorką – ocenia dr Henk Bolink. – Udało jej się zoptymalizować trudny proces sublimacji perowskitów i szybko skonstruować działające urządzenie na podłożach zawierających tlenek metalu. Potem – jak wspomina dr Bolink – przyszedł czas na ogniwo już bez warstwy tlenku metalu. I znów się udało.

Po uzyskaniu świetnego wyniku początkowo sami nie mogliśmy weń uwierzyć – mówi Olga Malinkiewicz. – Henk zapakował mnie do samolotu razem z ogniwami i wysłał do Szwajcarów, żeby je zmierzyć na ich supersymulatorze, gdzie się wszystko potwierdziło. Inaczej nikt by nam nie dał wiary.

Zamiast grafenu?

Instytut natychmiast zgłosił patent, Polka jest jego współwłaści­cielką, a jej dokonanie doceniła niedawno główną nagrodą w konkursie naukowym Europejska Platforma ­Technologiczna Photonics21, ­wspólne przedsięwzięcie Unii Europejskiej, ośrodków badawczych i przedstawicieli europejskiego przemysłu. Jednym z warunków wzięcia danej pracy pod uwagę jest jej praktyczny potencjał, ­drugim – autorski, a nie zespołowy charakter osiągnięcia. To optymistyczny sygnał dla romantyków nauki, zafascynowanych biografiami samotnych wynalazców.

Perowskity, gdy podliczyć ich wszystkie atuty, jawią się niemal Graalem energetyki. Ale zawsze są jakieś minusy. W przypadku ogniw nowej generacji mamy dwa.

Pierwszy: niebezpieczne związki ołowiu. Metal ten jest jednym z budulców ogniw perowskitowych. Zarówno Snaith, jak i Malinkiewicz są jednak przekonani, że da się go zastąpić czymś nieszkodliwym. Gary Hodes na łamach „Science” uspokaja: nawet gdyby – w co powątpiewa – nie dało się ołowiu uniknąć, do wyprodukowania ogniw dostarczających rocznie 1 tys. gigawatów potrzebne byłoby tylko 10 tys. ton tego metalu. Niewiele w porównaniu z choćby 4 mln ton zużywanymi rocznie przy produkcji akumulatorów kwasowo-ołowiowych.

Problem drugi: podatność na wilgoć. Zmoczone ogniwa perowskitowe rozkładają się, spada ich wydajność. Mały kłopot na Saharze, ale w Europie już całkiem istotny. Można go rozwiązać albo przez dobre zaizolowanie, albo po prostu tworząc perowskit wodoodporny. Według Olgi Malinkiewicz to wielka szansa choćby dla polskich chemików.

Dziś mówi się już głośno, że ogniwa perowskitowe okażą się tym, czym miały być ogniwa na bazie grafenu – marzenie nigdy niespełnione, zbyt trudne okazało się bowiem produkowanie tej struktury w formie wystarczająco dużych powierzchni. Naukowcy nie przekreślają jednak grafenu. Drugą szansę mają mu zapewnić właśnie... perowskity. Jak pisze na łamach miesięcznika „IEEE Spectrum” Dexter Johnson, w przyszłości optymalną wydajność mają szansę zapewnić ogniwa, w których perowskity posłużą za warstwę absorbującą światło, a grafen – za warstwę przewodzącą.

Mamy w Polsce światowej klasy ekspertów od grafenu, w Walencji działa otwarta na współpracę z rodakami światowej klasy ekspertka od perowskitów. Aż się nasuwa pytanie: na co czekać?

Polityka 17.2014 (2955) z dnia 21.04.2014; Nauka; s. 88
Oryginalny tytuł tekstu: "Ogniwo Olgi"
Więcej na ten temat
Reklama

Codzienny newsletter „Polityki”. Tylko ważne tematy

Na podany adres wysłaliśmy wiadomość potwierdzającą.
By dokończyć proces sprawdź swoją skrzynkę pocztową i kliknij zawarty w niej link.

Informacja o RODO

Polityka RODO

  • Informujemy, że administratorem danych osobowych jest Polityka Sp. z o.o. SKA z siedzibą w Warszawie 02-309, przy ul. Słupeckiej 6. Przetwarzamy Twoje dane w celu wysyłki newslettera (podstawa przetwarzania danych to konieczność przetwarzania danych w celu realizacji umowy).
  • Twoje dane będą przetwarzane do chwili ew. rezygnacji z otrzymywania newslettera, a po tym czasie mogą być przetwarzane przez okres przedawnienia ewentualnych roszczeń.
  • Podanie przez Ciebie danych jest dobrowolne, ale konieczne do tego, żeby zamówić nasz newsletter.
  • Masz prawo do żądania dostępu do swoich danych osobowych, ich sprostowania, usunięcia lub ograniczenia przetwarzania, a także prawo wniesienia sprzeciwu wobec przetwarzania, a także prawo do przenoszenia swoich danych oraz wniesienia skargi do organu nadzorczego.

Czytaj także

Rynek

Jak PGNiG dosala Zatokę Pucką

Dlaczego mieszkańcom nadmorskiego Kosakowa przeszkadza, że morze jest słone?

Ryszarda Socha
12.11.2019
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną