Νέα ηλιακή τεχνολογία για τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας της νέα εποχής

322

Η ζήτηση για φθηνότερη, πιο πράσινη ηλεκτρική ενέργεια δημιουργεί ένα ενεργειακό τοπίο που αλλάζει γρηγορότερα από οποιαδήποτε άλλη στιγμή της ιστορίας. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για την ηλιακή ενέργεια και τις δυνατότητες αποθήκευσης των μπαταριών. Το κόστος και των δύο μειώθηκε με πρωτοφανή ποσοστά κατά την τελευταία δεκαετία και οι ενεργειακά αποδοτικές τεχνολογίες όπως ο φωτισμός LED έχουν επίσης επεκταθεί.

Η πρόσβαση σε φτηνή και πανταχού παρούσα ηλιακή ενέργεια και αποθήκευση θα μεταμορφώσει τον τρόπο παραγωγής και χρήσης ενέργειας, επιτρέποντας την ηλεκτροδότηση του τομέα των μεταφορών, ενώ υπάρχουν και δυνατότητες για νέου είδους οικονομίες στις οποίες θα αποθηκεύουμε την ανανεώσιμη ενέργεια όπως τα καύσιμα και θα υποστηρίζουμε τις νέες συσκευές που θα αποτελούν το Internet of Things.

Με τις υπάρχουσες τεχνολογίες ενέργειας, ωστόσο, κάτι τέτοιο δεν μπορεί να συμβεί, καθώς σύντομα θα φτάσουμε στα όρια της αποδοτικότητας και του κόστους τους. Η δυνατότητα μελλοντικών μειώσεων στο κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας από πάνελ πυριτίου, για παράδειγμα, είναι περιορισμένη. Η κατασκευή κάθε πάνελ απαιτεί ένα αξιόλογο ποσό ενέργειας και η κατασκευή των εργοστασίων είναι εξίσου ακριβή. Και παρόλο που το κόστος παραγωγής έχει ακόμα περιθώρια μείωσης, το κόστος μιας ηλιακής εγκατάστασης αυξάνεται αισθητά, λόγω των απαιτήσεων σε εγκατάσταση, καλωδίωση, ηλεκτρονικά και ούτω καθεξής.

Η πρόσβαση σε νέες, πιο οικονομικές και αποδοτικές μορφές ηλιακής ενέργειας θα μεταμορφώσει τον τρόπο παραγωγής και χρήσης ενέργειας τα επόμενα χρόνια

Αυτό σημαίνει ότι τα τρέχοντα συστήματα ηλιακής ενέργειας είναι απίθανο να ικανοποιήσουν τις παγκόσμιες απαιτήσεις ισχύος των 30 TeraWatt (σήμερα παράγουν λιγότερο από 1 TW) αρκετά γρήγορα για να αντιμετωπίσουν ζητήματα όπως η κλιματική αλλαγή.

Ομοίως, οι τρέχουσες τεχνολογίες φωτισμού και οθόνης LED είναι πολύ ακριβές και δεν έχουν αρκετά καλή ποιότητα χρώματος για να αντικαταστήσουν τον παραδοσιακό φωτισμό σε αρκετά σύντομο χρονικό διάστημα. Πρόκειται, μάλιστα, για ένα ιδιαίτερα σημαντικό πρόβλημα, τη στιγμή που ο φωτισμός αντιπροσωπεύει το 5% των παγκόσμιων εκπομπών άνθρακα. Για να καλυφθεί, λοιπόν, αυτό το κενό, απαιτούνται άμεσα νέες τεχνολογίες.

Περοβσκίτες αλογονιδίου

Ένα επιστημονικό εργαστήριο στο Cambridge της Αγγλίας, συνεργάζεται με μια πολλά υποσχόμενη κατηγορία υλικών γνωστών ως περοβσκίτες αλογονιδίων. Είναι ημιαγωγοί, που φέρουν φορτία όταν διεγείρονται με φως. Τα μελάνια περοβσκίτη εναποτίθενται σε γυαλί ή πλαστικό για να φτιάξουν εξαιρετικά λεπτές μεμβράνες – περίπου το ένα εκατοστό του πλάτους μιας ανθρώπινης τρίχας – αποτελούμενες από μέταλλα, αλογονίδια και οργανικά ιόντα. Όταν περικλείονται μεταξύ ηλεκτροδίων, αυτές οι μεμβράνες δημιουργούν ηλιακά κύτταρα (φωτοβολταϊκά) ή συσκευές LED.

Τα ηλιακά κύτταρα περοβσκίττη αποκτούν ολοένα και μεγαλύτερη εμπορική απήχηση με τις εταιρείες του κλάδου να αυξάνουν σημαντικά τις παραγγελίες τους την τελευταία τριετία.

Το εντυπωσιακό είναι ότι το χρώμα του φωτός που απορροφούν ή εκπέμπουν μπορεί να αλλάξει απλά τροποποιώντας τη χημική τους δομή. Αλλάζοντας τον τρόπο με τον οποίο αναπτύσσονται, μπορούν να προσαρμοστούν έτσι ώστε να είναι πιο κατάλληλα για απορρόφηση φωτός (ηλιακό πάνελ) ή για εκπομπή φωτός (LED). Αυτό θα επιτρέψει στους επιστήμονες να φτιάχνουν φωτοβολταϊκά διαφορετικού χρώματος και LED που εκπέμπουν φως από το υπεριώδες, μέχρι το ορατό και σχεδόν υπέρυθρο.

Παρά τη φθηνή και ευέλικτη επεξεργασία τους, αυτά τα υλικά έχουν αποδειχθεί εξαιρετικά αποτελεσματικά τόσο ως φωτοβολταϊκά όσο και ως πομποί φωτός. Μάλιστα, τα ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη σημείωσαν αποτελεσματικότητα 25,2% το 2019, ποσοστό κοντά στο 26,7% των κρυσταλλικών κυψελών πυριτίου και τα LED περοβσκίτη πλησιάζουν ήδη τις αποδόσεις των OLED.

Αυτές οι τεχνολογίες αποκτούν όλο και μεγαλύτερη εμπορική απήχηση, ιδιαίτερα στον τομέα των ηλιακών κυττάρων. Η Oxford Photovoltaics με έδρα το Ηνωμένο Βασίλειο έχει δημιουργήσει μια γραμμή παραγωγής και ετοιμάζεται να παραδώσει τις πρώτες της παραγγελίες στις αρχές του 2021. Η πολωνική εταιρεία Saule Technologies κυκλοφόρησε πρωτότυπα προϊόντα στο τέλος του 2018, συμπεριλαμβανομένης μιας πιλοτικής ηλιακής πρόσοψης από περοβσκίτη. Ο κατασκευαστής Microquanta Semiconductor της Κίνας αναμένει να παράγει περισσότερα από 200.000 τετραγωνικά μέτρα πάνελ στη γραμμή παραγωγής του πριν από το τέλος του έτους, ενώ η Swift Solar που εδρεύει στις ΗΠΑ πρωτοπορεί σε υψηλής απόδοσης φωτοβολταϊκά με ελαφριές, ευέλικτες ιδιότητες.

Ηλιακά παράθυρα και εύκαμπτα πάνελ

Σε αντίθεση με τα συμβατικά ηλιακά πάνεολ πυριτίου, οι μεμβράνες περοβσκίτη αποτελούνται από ψηφιδωτούς «κόκκους» μεταβλητού μεγέθους (από νανο-μέτρα έως χιλιοστά) και χημείας και αποδίδουν σχεδόν όσο και τα καλύτερα πάνελ κυψέλες πυριτίου που υπάρχουν σήμερα. Επιπλέον, οι μικρές κηλίδες ή ελαττώματα στις ταινίες περοβσκίτη δεν οδηγούν σε σημαντικές απώλειες ισχύος, την ίδια στιγμή που τέτοια ελαττώματα θα ήταν καταστροφικά για ένα πάνελ πυριτίου ή LED.

Έως και 30% θα μπορούσε να αυξηθεί η αποδοτικότητα των ηλιακών συλλεκτών, συνδυάζοντας την υπάρχουσα τεχνολογία με προσεγγίσεις παράλληλης στρώσης

Θεωρητικά, τα υλικά αυτά υα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή ηλιακών κυττάρων «σύγχρονου σχεδιασμού» που θα συνδυάζονται αρμονικά με κτίρια ή σπίτια ή με ηλιακά παράθυρα που μοιάζουν με βαμμένο γυαλί αλλά παράγουν ενέργεια.

Η πραγματική ευκαιρία, όμως, είναι να αναπτυχθούν πολύ αποδοτικά φωτοβολταϊκά κυψέλες που θα ξεπερνούν την αποτελεσματικότητα των πάνελ πυριτίου. Μια τέτοια καινοτομία επιχειρεί να υλοποιήσει η Oxford PV, προσθέτοντας ένα στρώμα περοβσκίτη πάνω ένα κλασικό πάνελ πυριτίου και ενισχύοντας την αποδοτικότητα της υπάρχουσας τεχνολογίας χωρίς σημαντικό πρόσθετο κόστος. Αυτές οι προσεγγίσεις παράλληλης στρώσης θα μπορούσαν γρήγορα να επιφέρουν αύξηση της αποτελεσματικότητας των ηλιακών συλλεκτών άνω του 30%, γεγονός που θα μείωνε τόσο το κόστος του πίνακα όσο και του συστήματος, ενώ θα μειώσει επίσης το ενεργειακό τους αποτύπωμα.

Για τα LED, τέλος, ο περοβσκίτης μπορεί να επιτύχει καταπληκτική ποιότητα χρώματος που θα μπορούσε να οδηγήσει σε προηγμένες ευέλικτες τεχνολογίες οθόνης. Θα μπορούσε επίσης να προσφέρει φθηνότερο, υψηλότερης ποιότητας λευκό φωτισμό σε σχέση με τα σημερινά LED, ενώ δημιουργεί και προσδοκίες ως δομικό στοιχείο για μελλοντικούς κβαντικούς υπολογιστές, καθώς και ανιχνευτές ακτίνων Χ για χρήση σε ιατρικά και όχι μόνον περιβάλλοντα.

Αν και τα πρώτα προϊόντα αναδύονται ήδη, εξακολουθούν να υπάρχουν προκλήσεις. Ένα βασικό ζήτημα είναι η απόδειξη της μακροπρόθεσμης σταθερότητας, με την έρευνα, παρόλα αυτά, να είναι πολλά υποσχόμενη. Και μόλις αυτά τα ζητήματα επιλυθούν, οι περοβσκίτες αλογονιδίων θα μπορούσαν πραγματικά να προωθήσουν τον μετασχηματισμό της παραγωγής και της κατανάλωσης ενέργειας.