Ten artykuł czytasz w ramach bezpłatnego limitu

Kiedy transformacja energetyczna staje się koniecznością, odnawialne źródła energii coraz częściej trafiają pod nasze strzechy. W Polsce bezkonkurencyjna jest fotowoltaika, która w ostatnich latach zalicza największe wzrosty. I nie wygląda na to, by sytuacja miała się w najbliższym czasie zmienić. 

- W marcu tego roku przekroczyliśmy próg miliona instalacji fotowoltaicznych w Polsce. To już ogromny rynek, a w związku z sytuacją geopolityczną i koniecznością zmiany polityki energetycznej, będzie się on jeszcze zwiększał. Deklaracje dalszego rozwoju fotowoltaiki słychać też ze strony rządu - podkreśla prof. Konstanty Marszałek z Wydziału Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.

Czym zastąpić krzem?

Jednocześnie trwa wielki wyścig wśród producentów ogniw i naukowców. Każdy stara się zrobić więcej, lepiej, taniej, a prace nad rozwojem technologii produkcji modułów fotowoltaicznych trwają obecnie na całym świecie. Z jednej strony celem jest zwiększanie ich mocy i trwałości, z drugiej zaś zmniejszenie zużycia krzemu.

- W laboratoriach całego świata, zajmujących się generacją fotowoltaiczną, pracuje się nad wykorzystaniem do tego celu innych pierwiastków i związków chemicznych niż krzem - mówi prof. Ryszard Tytko, ekspert w zakresie odnawialnych źródeł energii (OZE), autor licznych publikacji i podręczników.

W grę wchodzą między innymi polimery i perowskity, czyli krystaliczne minerały zbudowane z tytanianu wapnia.

- Świetne wyniki pod kątem efektywności osiągają też ogniwa na bazie arsenku galu, ale ze względu na toksyczność arsenu pojawiają się wątpliwości zarówno w kwestii ich instalacji w pobliżu ludzi, jak i późniejszej utylizacji. Pomysł nie jest jednak całkowicie zarzucony, możliwości zastosowania tego rodzaju ogniw upatruje się np. w kosmosie czy na potrzeby wojskowe - mówi prof. Marszałek.

Zdecydowanie większą przyszłość świat widzi więc w polimerach i perowskitach. Każdy z tych materiałów ma jednak swoje wady i zalety. Jak podkreśla naukowiec, obydwa są tanie, a badania wykazują wysoką efektywność energetyczną w ogniwach z ich zastosowaniem. Ale choć prace nad modułami z wykorzystaniem polimerów i perowskitów trwają intensywnie od lat, ich efektów wciąż jednak nie było na rynku widać.

Perowskity to polska specjalność

Przełom ogłoszono kilka lat temu, w dodatku z udziałem polskiej badaczki. Dr Oldze Malinkiewicz, założycielce firmy Saule Technologies, udało się stworzyć prostą i efektywną metodę nanoszenia materiału perowskitowego na cienkie folie PET. W ten sposób miały powstać ogniwa ultracienkie, lekkie i elastyczne, które można by wytwarzać w dowolnych kształtach i pokryć nimi każdą, nawet nierówną powierzchnię. Nic więc dziwnego, że w mediach pojawiły się wizje pokrywania ogniwami perowskitowymi elewacji budynków, smartfonów. Nie brakowało głosów, że perowskity ostatecznie wyprą krzem w znanych nam panelach fotowoltaicznych. I to dzięki polskiej technologii.

Jak wyjaśnia prof. Tytko, perowskity, podobnie jak krzem, pochłaniają światło, w dodatku lepiej, bo na prawie wszystkich widocznych długościach fal świetlnych, do tego materiały perowskitowe są tanie, stosunkowo łatwe w produkcji, charakteryzują się szerokim spektrum absorbcji i szybką separacją ładunków. Ich produkcję można określić jako „czystą", podczas gdy proces wytwarzania paneli krzemowych jest energochłonny, z istotną wielkością emisji CO2 do atmosfery.

Jednocześnie jednak naukowiec przyznaje, że technologia wciąż jest na początkowym etapie komercjalizacji, a do pokonania wciąż jest sporo przeszkód. - Brak stabilności, toksyczność ołowiu w najbardziej popularnych materiałach perowskitowych, kwestia sprawności - wymienia profesor. - Najważniejszymi wyzwaniami jest jednak zwiększenie rozmiarów modułów perowskitowych przy zachowaniu wysokiej sprawności, a także rozwiązanie problemu szybkiej degradacji.

Jak się bowiem okazuje, na razie nie ma co liczyć na to, że ogniwa perowskitowe staną się realną alternatywą dla „tradycyjnych", dużych krzemowych modułów PV. Z jednej strony wciąż nie wiadomo, jak trwałe będą - dostępne obecnie na rynku panele krzemowe mają około 30 (i więcej) lat gwarancji, podczas gdy technologie perowskitowe są na tyle nowe, że takiej gwarancji nie da się nawet określić. W dodatku prowadzone na świecie badania wskazały, że ich właściwości fizyczne ulegają pogorszeniu zarówno z powodu czynników zewnętrznych, jak woda, światło i tlen, jak i wewnętrznej niestabilności. Problem częściowo rozwiązało poddanie ogniw perowskitowych enkapsulacji (izolacja od czynników zewnętrznych), ale ich ostateczna trwałość i wydajność na przestrzeni lat wciąż pozostają pod znakiem zapytania.

Ogniwa na telefonach, laptopach, kurtkach czy namiotach

Z drugiej strony ogniwa tworzone przez Saule Technologies to jak na razie niewielkie elementy, dalekie od tego, co rozumiemy jako panele fotowoltaiczne, które widzimy na dachach i podwórkach. Jak zaznacza sama firma, wydajność ich ogniw szacowana jest na 25 procent, ale tylko na małych laboratoryjnych próbkach. Utrzymanie tych parametrów dla wielkogabarytowych i wielkomocowych instalacji energetycznych stanowi poważne wyzwanie dla producentów, którzy chcieliby konkurować z krzemem.

- Wyzwanie polega nie tylko na tym, by stworzyć działające i odpowiednio trwałe moduły perowskitowe, ale też by wyprodukować systemy na tyle gabarytowe, by w sposób prosty i nieskomplikowany można było wyprodukować na ich bazie elektrownię gigawatową. Jednocześnie musiałoby to być rozwiązanie zbliżone pod kątem efektywności i ceny do ogniw krzemowych - tłumaczy prof. Marszałek.

Jak podkreśla prof. Tytko, tworzone w Polsce ogniwa można jednak potraktować inaczej, nie jako konkurencję dla dużych paneli PV. Ponieważ można je nadrukowywać na różne podłoża, z dużą dowolnością kształtu, znacznie bardziej realne wydaje się ich zastosowanie np. na telefonach, laptopach, ładowarkach czy namiotach. Mogą to być nawet kurtki, plecaki czy dachówki.

Perowskity. Prototyp elastycznego modułu na bazie perowskitówPerowskity. Prototyp elastycznego modułu na bazie perowskitów Fot. Marcin Mazurkiewicz

- Ogromny potencjał ogniw perowskitowych tkwi także w obszarze elektromobilności. Mogą zasilić nowoczesne wiaty do ładowania samochodów, rowerów, hulajnóg czy skuterów elektrycznych - uważa naukowiec. - To ogromny rynek, nisza, którą można zagospodarować.

Szwajcarzy nie zasypiają gruszek w popiele

W tę niszę sporo już zainwestowano. Jak podaje prof. Tytko, to około 100 milionów złotych, a zespół dr Malinkiewicz współpracuje z naukowcami na całym świecie, w dodatku w maju zeszłego roku we Wrocławiu uruchomiono pierwszy na świecie zakład produkujący panele fotowoltaiczne z perowskitów.

Jak jednak podkreśla część ekspertów, końcowych produktów tych prac wciąż nie można kupić, ciężko im więc określić, jaka przyszłość czeka polską technologię. Na razie firma chwaliła się pilotażowymi wdrożeniami (m.in. na żaluzjach budynku jednej z polskich firm), z kolei jesienią zeszłego roku Saule Technologies zaprezentowało elektroniczne etykiety cenowe z ogniw perowskitowych. Mają działać dzięki sztucznemu, sklepowemu światłu, bez żadnych baterii. Firma deklarowała również ich trwałość nawet przy wielokrotnych zmianach cen. Testować rozwiązanie postanowił m.in. Orlen, a elektroniczne etykiety miały się pojawić na wybranych stacjach koncernu. Wyników tych testów na razie jednak nie zaprezentowano.

A konkurencja nie śpi.

W Szwajcarii badacze z Politechniki Federalnej w Lozannie (EPFL) i Szwajcarskiego Centrum Badawczo-Rozwojowego (CSEM) opracowali konkurencyjne ekonomicznie rozwiązanie do wytwarzania tandemowych ogniw fotowoltaicznych, złożonych z warstwy perowskitów, osadzonych na standardowym, krzemowym ogniwie PV. W tym wypadku perowskity uzupełniają krzem, zwiększając ilość generowanej energii i maksymalizując wykorzystanie światła słonecznego. W dodatku ogniwa są proste i tanie w produkcji. Podobnie jednak jak ogniwa perowskitowe z Polski, wciąż są w trakcie komercjalizacji.

Trzymać kciuki za polskie technologie

- W tym momencie panele krzemowe są nie do zastąpienia, zarówno w zakresie wykonawczym, jak i mocowym czy cenowym - podkreśla prof. Tytko. - Jest jednak część rynku fotowoltaicznego, która nie musi polegać na montowaniu dużych paneli na dachach budynków, i w tę niszę wchodzi w tej chwili Saule Technologies. Jak im pójdzie? Zobaczymy. Warto jednak trzymać kciuki za nasze technologie, warto wspierać naszych naukowców. Ja za ogniwa dr Malinkiewicz zdecydowanie trzymam kciuki - zapewnia.

- Perowskity wydają się być przyszłością fotowoltaiki przede wszystkim tam, gdzie krzem nie ma zastosowania, choćby ze względu na brak elastyczności. Zdecydowanie bliżej jesteśmy aplikacji na ubraniach czy namiotach niż zastosowania ich w energetyce. Energetyka wymaga długoterminowej stabilności, a nie wiadomo, kiedy ogniwa perowskitowe taką uzyskają. A także kiedy i kto rzeczywiście wprowadzi gotowe rozwiązania na rynek - podkreśla prof. Marszałek. - Pozostaje liczyć na to, że nadzieje pokładane w polskiej produkcji się sprawdzą.

CZYTAJ WIĘCEJ
Czytaj ten tekst i setki innych dzięki prenumeracie
Wybierz prenumeratę, by czytać to, co Cię ciekawi 
Wyborcza.pl to zawsze sprawdzone informacje, szczere wywiady, zaskakujące reportaże i porady ekspertów w sprawach, którymi żyjemy na co dzień. Do tego magazyny o książkach, historii i teksty z mediów europejskich.