Το Tandem Solar τοποθετεί νέες κυψέλες περοβσκίτη πάνω από τυπικές κυψέλες πυριτίου . Ο περοβσκίτης απορροφά τα μικρότερα μήκη κύματος φωτός που χάνει το πυρίτιο. Έτσι, το λεπτό στρώμα περοβσκίτη συλλέγει τα ορατά μήκη κύματος και αφήνει το κοντινό υπέρυθρο φως να περάσει στο πυρίτιο από κάτω. Η Martina Grünwald και η Sarah Michaud γράφοντας για το WEF επισημαίνουν τα αποτελέσματα της Ε&Α και των διαδηλώσεων στη Γερμανία, την Ελβετία, τη Σαουδική Αραβία και την Κίνα. Τα ποσοστά μετατροπής ενέργειας κυμαίνονται από 29% έως 34% , στοιχεία που προηγουμένως επιτυγχάνονταν μόνο από ακριβούς ημιαγωγούς III/V για δορυφόρους και σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής συγκεντρωτών. Οι ερευνητές λένε ότι το 40% είναι τεχνικά εφικτό , πολύ μπροστά από τα τρέχοντα ρεκόρ. Μέχρι το 2050, η παγκόσμια ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας προβλέπεται να φτάσει τα 75 TW. Εάν η ηλιακή ενέργεια πρόκειται να παρέχει το 90% αυτού, η χωρητικότητα πρέπει να αυξάνεται με ετήσιο ρυθμό 25% τα επόμενα επτά χρόνια. Οι πρόοδοι στην τεχνολογία περοβσκίτη καθιστούν αυτόν τον στόχο πιο εύκολο να επιτευχθεί, λένε οι συγγραφείς, αλλά η συνεχής καινοτομία, η μείωση του κόστους και οι υποστηρικτικές δημόσιες πολιτικές για την ηλιακή βιομηχανία θα χρειάζονται πάντα.

Η ηλιακή ενέργεια είναι μια άφθονη και ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Στην πραγματικότητα, η ποσότητα του ηλιακού φωτός που χτυπά τη Γη σε μία μόνο ώρα περιέχει περισσότερη ενέργεια από όση χρειάζεται ο κόσμος σε ένα χρόνο . Το ηλιακό φως μπορεί να μετατραπεί απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια με μια συσκευή που ονομάζεται φωτοβολταϊκό στοιχείο (πιο γνωστό ως ηλιακό στοιχείο). Τα παραδοσιακά ηλιακά κύτταρα με βάση το πυρίτιο χρησιμοποιούνται παγκοσμίως. Ωστόσο, περαιτέρω πρόοδοι βρίσκονται ήδη στα σκαριά.

Διαδοχικές τεχνολογίες ηλιακών κυττάρων

Τώρα, οι τεχνολογίες διπλών ηλιακών κυψελών – συγκεκριμένα, η στοίβαξη ενός υπερλεπτού ηλιακού στοιχείου περοβσκίτη πάνω από ένα τυπικό ηλιακό στοιχείο πυριτίου – σπάνε ρεκόρ στη μετατροπή του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Με τη σειρά ηλιακών κυψελών να επιτυγχάνουν τώρα απόδοση μετατροπής ισχύος άνω του 30%, οι ειδικοί λένε ότι αυτά τα φωτοβολταϊκά υψηλής τεχνολογίας θα παίξουν σημαντικό ρόλο στην τόσο αναγκαία ταχεία μετάβαση στην ανανεώσιμη ενέργεια.

«Είμαστε πολύ ενθουσιασμένοι με αυτές τις τεράστιες προόδους», λέει ο Steve Albrecht, Επικεφαλής της Ομάδας Young Investigator των Perovskite Tandem Solar Cells στο Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), Γερμανία . «Μας δίνουν ελπίδα ότι αυτή η τεχνολογία μπορεί να συμβάλει σημαντικά σε έναν βιώσιμο και προσιτό ενεργειακό εφοδιασμό όχι μόνο για μεγάλο μέρος του πληθυσμού αλλά και για την καταπολέμηση της κλιματικής αλλαγής τα επόμενα χρόνια, επειδή η αναβάθμιση και η βιομηχανική παραγωγή περοβσκίτη -Τα ηλιακά κύτταρα σε σειρά πυριτίου είναι επίσης εφικτά».

Πιάνει περισσότερο φως με περοβσκίτη

Τα σημερινά φωτοβολταϊκά που βασίζονται σε πυρίτιο μετατρέπουν μόνο ένα μικρό εύρος μεγαλύτερων μηκών κύματος ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Ο περοβσκίτης, μια ελαφριά, χαμηλού κόστους ένωση ημιαγωγών, μπορεί να «συντονιστεί» ώστε να απορροφά τα μικρότερα μήκη κύματος φωτός που χάνουν τα ηλιακά κύτταρα πυριτίου . Όταν συνδυάζεται, ένα εξαιρετικά λεπτό στρώμα περοβσκίτη πάνω από μια ηλιακή κυψέλη πυριτίου μπορεί να μετατρέψει περισσότερο ηλιακό φως σε χρησιμοποιήσιμη ηλεκτρική ενέργεια από ό,τι κάθε στοιχείο μόνο του.

Το κόλπο είναι ότι το στρώμα περοβσκίτη χρησιμοποιεί ολόκληρο το εύρος μήκους κύματος του ορατού φωτός [380 – 700 nm] και το μετατρέπει σε ηλεκτρικό ρεύμα. Το εγγύς υπέρυθρο φως [800 – 2.500 nm], από την άλλη πλευρά, διεισδύει στο στρώμα περοβσκίτη, χτυπά την κυψέλη πυριτίου από κάτω και μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. Δουλεύοντας παράλληλα, το δίδυμο ηλιακών κυψελών αυξάνει την απόδοση μετατροπής ισχύος σε πάνω από 30% (η ποσότητα ενέργειας που μετατρέπεται από το ηλιακό φως είναι το 30% της συνολικής εισερχόμενης ενέργειας). Θεωρητικά, το 40% είναι δυνατό.

Ο περοβσκίτης, μια ελαφριά, χαμηλού κόστους ένωση ημιαγωγών, μπορεί να «συντονιστεί» ώστε να απορροφά τα μικρότερα μήκη κύματος φωτός που χάνουν τα ηλιακά κύτταρα πυριτίου. / ΕΙΚΟΝΑ: Eike Köhnen/Helmholtz-Zentrum Berlin

Ένα διπλό σχηματικό ηλιακό στοιχείο με την κορυφαία ηλιακή κυψέλη περοβσκίτη να μετατρέπει μπλε μήκη κύματος φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. / ΕΙΚΟΝΑ: Eike Köhnen/Helmholtz-Zentrum Berlin

Έρευνα σε όλο τον κόσμο

Εκτός από την HZB, ομάδες από πολλά άλλα ερευνητικά ινστιτούτα και βιομηχανίες έχουν σημειώσει πρόοδο στην αύξηση της απόδοσης των διαδοχικών ηλιακών κυψελών:

• 29,8% Helmholtz Zentrum, Βερολίνο, Γερμανία (21 Δεκεμβρίου);
• 31,3% École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Ελβετία (22 Ιουλίου);
• 32,5% Helmholtz Zentrum, Βερολίνο, Γερμανία (22 Δεκεμβρίου);
• 33,7% King Abdullah University of Science and Technology, Photovoltaics Laboratory, Thuwal, Σαουδική Αραβία (23 Απριλίου);
• 33,9% LONGi Green Energy Technology Co., Ltd., πόλη Xi'an, Κίνα (23 Νοεμβρίου).

Σε αντίθεση με το πυρίτιο, οι ιδιότητες περοβσκίτη μπορούν να προσαρμοστούν (συντονιστούν) από τον κατασκευαστή για να ταιριάζουν καλύτερα στις ανάγκες του. Χρησιμοποιώντας διαφορετικές αναλογίες υλικών για την κατασκευή του περοβσκίτη, ο κατασκευαστής μπορεί να δημιουργήσει έναν περοβσκίτη με συγκεκριμένο χρώμα που απορροφά ένα συγκεκριμένο εύρος μήκους κύματος φωτός. Οι κυψέλες περοβσκίτη είναι επίσης πολύ πιο λεπτές, ελαφρύτερες και λιγότερο δαπανηρές στην κατασκευή τους από τις αντίστοιχες πυριτίου .

Ο δρόμος στα 75 τεραβάτ μέχρι το 2050

Μια έκθεση από την ομάδα επιστήμης του ΟΗΕ για το κλίμα αναφέρει ότι η ανανεώσιμη ενέργεια «μπορεί και πρέπει» να παρέχει το 90% της ηλεκτρικής ενέργειας έως το 2050 για να δώσει στον κόσμο μια καλή ευκαιρία να περιορίσει τη θέρμανση στους 1,5°C σύμφωνα με τη Συμφωνία του Παρισιού και να αποφύγει τις χειρότερες επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής .

Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά πρέπει να αυξάνονται κατά 25% ετησίως

Μέχρι το 2050, η παγκόσμια ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας προβλέπεται να φτάσει τα 75 τεραβάτ (TW) . Για να καλυφθεί αυτή η ζήτηση με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, είναι ζωτικής σημασίας για τη βιομηχανία φωτοβολταϊκών να αναπτυχθεί με ετήσιο ρυθμό 25% τα επόμενα επτά χρόνια . Αυτό, χωρίς έκπληξη, θα δημιουργήσει τεράστιες απαιτήσεις για την Ε&Α και τις βιομηχανίες παραγωγής ηλιακών κυψελών.

Φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις και ανάπτυξη στα 75 TW έως το 2050. / IMAGE : Science

Ενώ τα 75TW μέχρι το 2050 είναι ένας υψηλός στόχος, είναι εφικτός. Η βιομηχανία ηλιακών κυττάρων έχει διπλασιάσει την ετήσια παραγωγή της κάθε τρία χρόνια και το κόστος για την κατασκευή νέων γραμμών παραγωγής έχει μειωθεί κατά 50% παγκοσμίως . Πέρυσι, δημιουργήθηκε το πρώτο TW ηλεκτρικής ενέργειας που προέρχεται από ηλιακά κύτταρα . Η επόμενη TW αναμένεται να επιτευχθεί το 2024 και προβλέπεται ρυθμός παραγωγής ενός TW ανά έτος μέχρι το 2028.

Το κόστος των ηλιακών τεχνολογιών έχει επίσης μειωθεί σημαντικά τα τελευταία 30 χρόνια, με τις τεχνολογικές προόδους –συμπεριλαμβανομένων των ηλιακών κυψελών διπλού περοβσκίτη και πυριτίου– και οι δημόσιες πολιτικές που προσφέρουν πρόσθετες μειώσεις κόστους. Ωστόσο, η επίτευξη 75 TW έως το 2050 θα εξαρτηθεί από τη συνεχή καινοτομία, τη μείωση του κόστους και τις υποστηρικτικές δημόσιες πολιτικές .

Ο νέος βασιλιάς των αγορών ενέργειας

Η απόδοση των ηλιακών κυψελών των διαδοχικών κυψελών πυριτίου-περοβσκίτη είναι τώρα στο εύρος που προηγουμένως επιτυγχάνονταν μόνο από ακριβούς ημιαγωγούς III/V , που χρησιμοποιούνται στην τροφοδοσία δορυφόρων και σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής συμπυκνωτών.

Με την τεχνολογία και την κατασκευή διαδοχικών ηλιακών κυψελών δοκιμασμένη κατ' αρχήν, η εστίαση είναι τώρα στη δοκιμή της απόδοσης των ηλιακών κυψελών σε συνδυασμό σε πραγματικές συνθήκες και στην προώθηση πολιτικών που υποστηρίζουν την επέκταση της βιομηχανίας φωτοβολταϊκών.

Η Διακυβερνητική Επιτροπή για την Κλιματική Αλλαγή περιγράφει τη φωτοβολταϊκή τεχνολογία ως τη λύση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας που μπορεί να συμβάλει με τη μεγαλύτερη και ταχύτερη συμβολή στην παγκόσμια ενεργειακή μετάβαση . Ο εκτελεστικός διευθυντής του Διεθνούς Οργανισμού Ενέργειας, Φατίχ Μπιρόλ, περιέγραψε επίσης την ηλιακή ενέργεια ως τον νέο βασιλιά των παγκόσμιων ενεργειακών αγορών .

Μπορεί πράγματι να υπάρχει ένα λαμπρό μέλλον για την ηλιακή ενέργεια. Ωστόσο, είναι απαραίτητο να διατηρηθεί μια αίσθηση επείγουσας ανάγκης για τη διάθεση στην αγορά διπλών ηλιακών κυψελών και άλλων φωτοβολταϊκών τεχνολογιών, επειδή, όπως προτρέπει η ομάδα της HZB, «η αναμονή δεν αποτελεί επιλογή».

***

Η Martina Grünwald είναι Υπεύθυνη Διαδικτυακού Περιεχομένου στην Ένωση Helmholtz

Η Sarah Michaud είναι ανεξάρτητη επιστημονική συγγραφέας και συντάκτρια

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται σύμφωνα με την Creative Commons Attribution-Non Commercial-No Derivatives 4.0 International Public License