Βελτίωση της αντοχής των ηλιακών στοιχείων περοβσκίτη με αμιδίνιο

Μεγαλύτερη αντοχή για μια υποσχόμενη φωτοβολταϊκή τεχνολογία

Τα περισσότερα φωτοβολταϊκά πάνελ χρησιμοποιούν κρυσταλλικό πυρίτιο, ενώ μια άλλη εμπορική τεχνολογία βασίζεται σε λεπτά υμένια τελλουριούχου καδμίου. Μια αναδυόμενη κατηγορία χρησιμοποιεί υλικά με κρυσταλλική δομή περοβσκίτη.

Ο φυσικός περοβσκίτης είναι οξείδιο ασβεστίου και τιτανίου, αλλά τα φωτοβολταϊκά αυτού του τύπου χρησιμοποιούν συνήθως διαφορετικές, αλογονιδιακές ενώσεις με παρόμοια δομή. Από εργαστηριακές διατάξεις με απόδοση 3,8% το 2009, η τεχνολογία προχώρησε σε πολύ υψηλότερες επιδόσεις. Η LONGi ανακοίνωσε απόδοση 33,9% τον Νοέμβριο του 2023 για διάταξη tandem πυριτίου–περοβσκίτη της LONGi Green Energy Technology, όχι για στοιχείο μόνο περοβσκίτη το 2024.

Η μακροχρόνια σταθερότητα παραμένει βασική πρόκληση. Η υποβάθμιση εξαρτάται από τη σύνθεση, την κατασκευή, την προστασία και τις συνθήκες λειτουργίας. Δεν υπάρχει μία σταθερή διάρκεια ζωής λίγων ετών που να ισχύει για όλες τις διατάξεις.

Για ευρεία εμπορική χρήση χρειάζεται αξιόπιστη λειτουργία σε βάθος δεκαετιών, αντίστοιχη με τις απαιτήσεις των καθιερωμένων πάνελ πυριτίου. Η βελτίωση της αντοχής θα μπορούσε να επιτρέψει στους περοβσκίτες να συμμετάσχουν περισσότερο στη «νέα ηλιακή εποχή».

Ερευνητές από το Northwestern University στις ΗΠΑ, το Griffith University στην Αυστραλία και το University of Toronto στον Καναδά εξέτασαν μια μέθοδο που βελτίωσε τη σταθερότητα σε επιταχυνόμενες δοκιμές. Δημοσίευσαν τα αποτελέσματα στο Science με τίτλο «Η αμιδίνωση υποκαταστατών για χημική παθητικοποίηση και παθητικοποίηση μέσω ηλεκτρικού πεδίου σταθεροποιεί τα ηλιακά στοιχεία περοβσκίτη¹».

Πλεονεκτήματα των περοβσκιτών

Τα υλικά αυτά προσφέρουν δυνατότητες για χαμηλότερο κόστος και μεθόδους εναπόθεσης που μοιάζουν με εκτύπωση. Ορισμένα στάδια μπορούν να γίνουν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες από την παραγωγή κρυσταλλικού πυριτίου, αλλά δεν πραγματοποιείται απαραίτητα ολόκληρη η κατασκευή σε θερμοκρασία δωματίου.

Μπορούν επίσης να κατασκευαστούν εύκαμπτες διατάξεις, με πιθανές εφαρμογές σε οχήματα ή μη επανδρωμένα αεροσκάφη. Οι κατάλληλοι συνδυασμοί υλικών μπορούν να αξιοποιήσουν διαφορετικά τμήματα του ηλιακού φάσματος. Οι εκτιμήσεις για θεωρητική απόδοση κοντά στο 40% αφορούν συγκεκριμένα σχέδια και δεν αποτελούν επίδοση κάθε μεμονωμένου στοιχείου.

Το κόστος και η διαθεσιμότητα πρέπει να αξιολογούνται για τα υλικά που πράγματι χρησιμοποιούνται, όχι με βάση την αφθονία του τιτανίου στο φυσικό ορυκτό. Σε πολλές φωτοβολταϊκές συνθέσεις χρησιμοποιείται μόλυβδος, οπότε η πιθανή διαρροή του και η διαχείριση στο τέλος της ζωής παραμένουν σημαντικά ζητήματα.

Πηγή: Research Gate

Μια επιλογή είναι οι διατάξεις tandem πυριτίου–περοβσκίτη, όπως εκείνη της LONGi, αντί για συστήματα αποκλειστικά με περοβσκίτη.

Προστασία των περοβσκιτών από την υποβάθμιση

Πολλά αποδοτικά στοιχεία χρησιμοποιούν οργανικούς υποκαταστάτες αμμωνίου στην επιφάνεια για να μειώσουν ελαττώματα και απώλειες. Υπό φως και θερμική καταπόνηση οι υποκαταστάτες μπορούν να χάσουν πρωτόνια, ενώ η υγρασία επιταχύνει την απώλειά τους. Αυτό περιορίζει τη σταθερότητα της επιφανειακής προστασίας.

Πηγή: Frontiers

Η αντοχή στη θερμότητα, την υγρασία και τη συνεχή έκθεση στο φως είναι ουσιώδης για πραγματικές εγκαταστάσεις φωτοβολταϊκών.

Οι ερευνητές ανέπτυξαν υποκαταστάτες με ομάδες αμιδινίου. Το αμιδίνιο είναι κατιόν που προκύπτει από αμιδίνες, με δομή που μπορεί να αντιστέκεται καλύτερα στην αποπρωτονίωση.

Πηγή: Wikipedia

Η προσέγγιση εστιάζει στη σταθερότητα των επιφανειακών στρωμάτων παθητικοποίησης, συμπληρώνοντας την έρευνα για τη σταθερότητα του ίδιου του υλικού.

Ριζική Βελτίωση

Η νέα μέθοδος βελτίωσε τη σταθερότητα της προστατευτικής επιφάνειας και τη διατήρηση της απόδοσης των εργαστηριακών στοιχείων.

Σύμφωνα με την παρουσίαση του Northwestern, η νέα επίστρωση εμφάνισε περίπου δεκαπλάσια αντοχή στην αποσύνθεση σε σχέση με συμβατικές επιστρώσεις αμμωνίου. Ο χρόνος T90 τριπλασιάστηκε στις συγκεκριμένες δοκιμές. T90 είναι ο χρόνος μέχρι η απόδοση να πέσει στο 90% της αρχικής, όχι κατά 90%, και δεν ισοδυναμεί με αποδεδειγμένο τριπλασιασμό της υπαίθριας ζωής ενός πάνελ.
Ο Bin Chen ήταν ένας από τους επικεφαλής της μελέτης στο Northwestern.

Συνέχεια προηγούμενων ερευνητικών εξελίξεων

Η ομάδα βασίστηκε σε προηγούμενες εξελίξεις του πεδίου.

Η ομάδα του Ted Sargent είχε ήδη παρουσιάσει το 2022 στοιχεία περοβσκίτη με βελτιώσεις στην απόδοση και την τάση.

Το 2023, σχετικές εργασίες εξέτασαν ανεστραμμένες δομές και υγρούς κρυστάλλους για τη μείωση ελαττωμάτων στα υμένια περοβσκίτη και τη βελτίωση της λειτουργίας τους.

Στις ευχαριστίες της μελέτης αναφέρεται υποστήριξη από τη First Solar (FSLR ) και δημόσια προγράμματα, μεταξύ άλλων του Υπουργείου Εμπορίου των ΗΠΑ μέσω του NIST και του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.

Επένδυση στην Ηλιακή Ενέργεια

Η παραγωγή ηλιακής ενέργειας αυξάνεται και μπορεί να συμβάλει στην απανθρακοποίηση. Ωστόσο, τα ορυκτά καύσιμα εξακολουθούν να καλύπτουν μεγάλο μέρος της ηλεκτροπαραγωγής και ακόμη μεγαλύτερο μέρος της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης.

Οι οικονομίες κλίμακας επηρεάζουν σημαντικά το κόστος σε έναν ιδιαίτερα ανταγωνιστικό κλάδο. Νέες τεχνολογίες μπορεί να αλλάξουν την ισορροπία, χωρίς αυτό να εγγυάται κερδοφορία στους μεγαλύτερους ή στους νεότερους κατασκευαστές.

Μπορείτε να εξετάσετε μετοχές εταιρειών ηλιακής ενέργειας μέσω διαφόρων χρηματιστηριακών εταιρειών. Στο securities.io υπάρχουν οδηγοί για τις ΗΠΑ, τον Καναδά, την Αυστραλία, το Ηνωμένο Βασίλειο και πολλές άλλες χώρες.

Εναλλακτικά, μπορείτε να εξετάσετε ETF όπως το Global X Solar ETF (RAYS), το Invesco Solar ETF (TAN) ή το Global X China Clean Energy ETF (2809.HK). Προσφέρουν διαφορετική έκθεση σε εταιρείες ηλιακής και καθαρής ενέργειας, με διαφορετικούς κινδύνους και επενδυτικές πολιτικές.

Δείτε επίσης το άρθρο «Δέκα μετοχές εταιρειών ηλιακής ενέργειας για επενδυτική έρευνα».

Εταιρεία Ηλιακής Ενέργειας

Η First Solar είναι μεγάλος κατασκευαστής φωτοβολταϊκών πάνελ με έδρα τις ΗΠΑ. Το 2024 διέθετε παραγωγικές μονάδες στις ΗΠΑ, τη Μαλαισία, το Βιετνάμ και την Ινδία.

Αντί για κρυσταλλικό πυρίτιο, χρησιμοποιεί φωτοβολταϊκά λεπτού υμενίου δικής της τεχνολογίας με βάση το τελλουριούχο κάδμιο. Κόστος και απόδοση πρέπει να συγκρίνονται με συγκεκριμένα προϊόντα και συνθήκες. Η διατήρηση περίπου 89% της αρχικής ισχύος στα 30 χρόνια αφορά όρο εγγύησης συγκεκριμένων προϊόντων, όχι ήδη μετρημένη επίδοση όλων των πάνελ για τρεις δεκαετίες.

Πηγή: First Solar

Το κάδμιο και το τελλούριο μπορούν να προκύπτουν ως παραπροϊόντα εξόρυξης και επεξεργασίας άλλων μετάλλων. Αυτό δεν μηδενίζει το περιβαλλοντικό αποτύπωμα. Η ανακύκλωση μπορεί να ανακτήσει υλικά, αλλά απαιτεί κατάλληλες διαδικασίες και συλλογή των χρησιμοποιημένων πάνελ.

Η παραγωγική παρουσία και η τεχνολογία της First Solar μπορεί να τη βοηθήσουν όταν πελάτες αναζητούν προμηθευτές εκτός Κίνας. Το αποτέλεσμα εξαρτάται από τις τιμές, τη ζήτηση και την πολιτική.

Σε παλαιότερο σχέδιο επέκτασης, η εταιρεία στόχευε σε ονομαστική δυναμικότητα περίπου 25 GW έως το τέλος του 2026. Το αρχικό άρθρο συγκρίνει αυτόν τον στόχο με παλαιότερο επίπεδο περίπου 11 GW, το οποίο δεν πρέπει να παρουσιάζεται ως επιβεβαιωμένη δυναμικότητα του Νοεμβρίου 2024.

Η First Solar ενδιαφέρεται επίσης για τεχνολογίες περοβσκίτη. Σε προηγούμενη παρουσίαση ανέφερε στόχο ετοιμότητας μιας γραμμής ανάπτυξης για δείγματα υπό συνθήκες που προσομοιώνουν τη βιομηχανική παραγωγή στο τέταρτο τρίμηνο του 2024. Πρόκειται για σχέδιο έρευνας και ανάπτυξης, όχι για απόδειξη μαζικής εμπορικής παραγωγής.

Στις ιστορικές παρουσιάσεις της η First Solar ανέφερε σωρευτικές δαπάνες περίπου 2 δισ. δολαρίων για έρευνα & ανάπτυξη από την ίδρυσή της.

Οι δασμοί στις κινεζικές εισαγωγές μπορεί να επηρεάσουν την ανταγωνιστική θέση της εταιρείας. Ωστόσο, δεν είναι βέβαιο ότι θα αντισταθμίσουν άλλες αλλαγές πολιτικής μετά την επανεκλογή του Donald Trump το 2024.

Η εμπειρία της σε φωτοβολταϊκά εκτός πυριτίου και οι ερευνητικές συνεργασίες της μπορεί να βοηθήσουν την ανάπτυξη νέων υλικών. Η εμπορική επιτυχία των περοβσκιτών εξακολουθεί να εξαρτάται από αντοχή, κλίμακα παραγωγής και κόστος.

Αναφορά Μελέτης:

^{1. Yang, Y., et al. (2024). Αμιδίνωση υποκαταστατών για χημική παθητικοποίηση και παθητικοποίηση μέσω ηλεκτρικού πεδίου σταθεροποιεί τα ηλιακά στοιχεία περοβσκίτη. Science, 386, 898–902. https://doi.org/10.1126/science.adr2091}