Twarzą do Słońca

Jeszcze niedawno słowo „perowskit” znane było głównie geologom i chemikom. Minerał ten – tytanian wapnia (CaTiO3) – odkryto niemal 200 lat temu na Uralu, a nazwa pochodzi od nazwiska rosyjskiego oficera i mineraloga Lwa Perowskiego. Z czasem perowskitami nazwano całą grupę minerałów. Ciekawych z naukowego punktu widzenia, ale niemających zastosowania praktycznego.

Dopiero niedawno zaczęto badać, czy perowskity można zastosować w fotowoltaice, czyli produkcji energii elektrycznej bezpośrednio ze światła słonecznego.
 

Darmowa energia
Sam pomysł nie jest nowy. Wszyscy mieliśmy zapewne okazję widzieć panele fotowoltaiczne zasilające różne urządzenia: od małych kalkulatorów biurowych przez łódki – np. tramwaje wodne w Bydgoszczy – aż po duże farmy słoneczne.

Panele takie wykorzystuje się też w przestrzeni kosmicznej. Bo grzechem byłoby nie korzystać z darmowej energii docierającej do Ziemi z naszego poczciwego Słońca.

Do powierzchni Ziemi dociera energia rzędu ok. 90 petawatów. To wartość trudna do wyobrażenia – petawat to milion gigawatów. My jednak uparcie spalamy węgiel, ropę i gaz. Obliczenia pokazują, że wszystkie dostępne nam dziś konwencjonalne źródła odpowiadają energii, którą dostarcza Słońce w ciągu niecałych dwóch miesięcy.

Oczywiście nie da się wykorzystać całej tej energii dla potrzeb człowieka – to niemożliwe nawet teoretycznie. Jeśli jednak uda się przetworzyć na prąd ułamek procenta promieniowania Słońca, rozwiążemy sporo problemów.
 

Epoka krzemu
Zjawisko fotowoltaiczne, czyli generowanie prądu w ciele stałym pod wpływem światła, znane jest fizykom od prawie 200 lat. Pierwszy patent na ogniwo słoneczne przyznano w 1888 r. Jednak dopiero w połowie lat 50. XX wieku inżynierowie skonstruowali ogniwa, które można było zastosować w praktyce – efektywność przetwarzania energii Słońca na prąd elektryczny sięgała jedynie 6 proc.
Niemal wszystkie panele stosowanych dziś ogniw fotowoltaicznych wykonane są z krystalicznego krzemu, otrzymywanego metodą stworzoną przez polskiego wynalazcę Jana Czochralskiego [patrz poniżej]. Krzem o wysokiej czystości (99,999 proc.) poddaje się powolnej krystalizacji, tnie na bardzo cienkie płytki i w tej postaci wykorzystuje do produkcji ogniw. Efektywność przetwarzania energii przy wykorzystaniu krzemu sięga kilkunastu procent – taka część padającego nań światła może ulec przemianie w prąd elektryczny.

Panele krzemowe mają jednak sporo wad. Przede wszystkim są dość ciężkie i nieprzezroczyste. Dlatego na całym świecie trwają badania nad innymi rodzajami materiałów, które można wykorzystać do produkcji energii elektrycznej.

Marzenie – i cel – jest następujące: stworzyć materiał, który będzie co najmniej tak samo efektywny jak krzem, ale zdecydowanie lżejszy i praktycznie przezroczysty. Chodzi o to, aby można było go użyć wszędzie tam, gdzie potrzebujemy energii, ale bez znaczącego blokowania dostępu światła.

Wyobraźmy sobie np. cienkie folie fotowoltaiczne, które nakleja się na okna budynków, wyświetlacze telefonów komórkowych czy szyby samochodowe. A gdyby jeszcze udało się zwiększyć efektywność przetwarzania energii do 30 proc., byłoby już rewelacyjnie.

Poszukiwania odpowiednich materiałów trwają. W badaniach wykorzystuje się zarówno materiały nieorganiczne, takie jak arsenek galu, tellurek kadmu czy siarczki indu i galu – jak też związki organiczne. Uczeni próbują naśladować przyrodę, pamiętając, że rośliny potrafią całkiem efektywnie zmieniać energię słoneczną na chemiczną. Co jakiś czas pojawiają się zupełnie nowe pomysły.
 

Czas na polskie perowskity
Wróćmy do perowskitu. Choć minerał ten nie znalazł zastosowania, badania jego struktury i właściwości pozwoliły stwierdzić, że związki tego typu mogą się okazać interesujące dla inżynierów zajmujących się fotowoltaiką. Z chemicznego punktu widzenia wygląda on trochę jak układanka z klocków.

Jony wapnia i tytanu można zamienić na inne, zbliżone do nich wielkością, jony tlenu da się zamienić np. na brom lub jod. Ba, można nawet w tę strukturę próbować wstawić, zamiast wapnia lub tytanu, związki organiczne. Zsyntetyzowano sporo takich połączeń. Część uznano za obiecujące.

Ale to tylko pierwszy etap pracy. Istotą jest przygotowanie odpowiedniej cienkiej warstwy takiego syntetycznego perowskitu, która będzie nadal efektywnie zmieniać światło na prąd. I tu dochodzimy do polskiego wątku.

Polska fizyk, Olga Malinkiewicz, doktorantka uniwersytetu w Walencji, wpadła na bardzo ciekawy pomysł, pozwalający na stworzenie czegoś, co można nazwać tuszem perowskitowym.

Warstwę takiego tuszu generującego prąd można by bardzo wygodnie nakładać na dowolne powierzchnie. Np. na cienką folię z tworzywa PET – tego samego, z którego produkuje się butelki do napojów. Można by w ten sposób uzyskać giętkie panele fotowoltaiczne. A ich zastosowanie zależałoby tylko od wyobraźni inżynierów. Panele wytworzone z krzemu są bardzo delikatne i nie można ich dowolnie kształtować. Tutaj będzie zupełnie inaczej.

Nie będzie zbytniego problemu, aby folią perowskitową pokryć nie tylko okna, ale nawet ściany wieżowców. Klasyczne panele krzemowe zamontowane np. na dachach zmieniają zdecydowanie ich wygląd. Nie ma co ukrywać – czasem szpecą. Jeśli będzie można zastosować nową technologię, pozbędziemy się także problemu estetycznego.

Polska badaczka nie zatrzymała się na etapie samego odkrycia. Pomyślała także o stronie komercyjnej. Zainteresowała tematem potencjalnych inwestorów i po roku pracy, we wrześniu 2015 r., firma Olgi Malinkiewicz – Saule Technologies – podpisała umowę z inwestorem japońskim, który w ostatnim czasie zaczął się interesować odnawialnymi źródłami energii. Także polskie Narodowe Centrum Badań i Rozwoju wsparło projekt 25 mln zł dofinansowania.

Zespół Olgi Malinkiewicz nie jest jedynym pracującym nad perowskitami. Na świecie jest co najmniej kilka ośrodków zajmujących się podobną tematyką. Wyścig trwa, a nagroda jest cenna. Jeśli uda się stworzyć tanią i prostą technologię produkcji efektywnych folii fotowoltaicznych bazujących na syntetycznych perowskitach, będzie to oznaczać przełom w energetyce. Nie ma tu emisji dwutlenku węgla ani żadnych zanieczyszczeń. Czysta, zielona energia. Fantastyczne, gdyby do tego była tania.
 

JAN CZOCHRALSKI – WYNALAZCA

Mimo że rok 2013 był w Polsce nazwany jego imieniem, nadal pozostaje mało znanym uczonym i wynalazcą. Urodzony w 1885 r. w Kcyni polski chemik był uparty. Nie zgadzając się z ocenami na świadectwie maturalnym, podarł je i postanowił uczyć się sam. Fascynowała go chemia. Przeniósł się więc do brata w Trzemesznie i podobno pracował w aptece w pobliskim Krotoszynie. Nauczywszy się tam podstaw, wyjechał do Berlina. Tam, również w aptece, prowadził analizy olejów, smarów i metali.

I właśnie metale bardzo go zafascynowały. W trakcie doświadczeń nad krystalizacją odstawił kiedyś tygiel ze stopioną cyną i usiadł, aby zapisać kilka uwag w dzienniku laboratoryjnym. W zamyśleniu, zamiast w kałamarzu, zanurzył pióro w tyglu. Po wyciągnięciu go zauważył, że z końca stalówki zwisa nić zestalonej cyny. Był to impuls, w efekcie którego zajął się badaniem tego zjawiska. Pierwotnie stosował je do pomiaru szybkości krystalizacji, a następnie do otrzymywania monokryształów metali. Później metodę tę zastosowano do produkcji kryształów germanu i krzemu. Sprawdziła się idealnie właśnie w przypadku krzemu, który niedługo później stał się materiałem bardzo pożądanym. Do dziś nie wymyślono metody równie efektywnej jak proces Czochralskiego.

W czasie wojny tajnie współpracował z AK, m.in. zatrudniając ludzi w firmie, którą prowadził. Niestety, po wojnie został uznany za kolaboranta Niemiec. Nie mógł wrócić na politechnikę, więc założył w Kcyni niewielką firmę produkującą towary drogeryjne. Prześladowany przez UB, po rewizji w domu w 1953 r. doznał rozległego zawału i zmarł.

Dziś miliardy procesorów stosowanych w komputerach, telefonach i innych urządzeniach zawierają płytki krzemu otrzymywanego metodą Czochralskiego. Tą samą metodą uzyskuje się krzem niezbędny do produkcji paneli fotowoltaicznych.

Jan Czochralski ostatecznie zrehabilitowany został dopiero w 2011 r. ©