Perowskity to szczególny typ materiałów o charakterystycznej budowie krystalicznej, które wyjątkowo dobrze pochłaniają światło i przewodzą ładunek elektryczny. Dzięki temu stały się jednym z najciekawszych materiałów dla nowoczesnej energetyki i elektroniki.
Co to są perowskity i do czego służą?
Perowskity stanowią grupę związków nieorganicznych o określonym układzie atomów. W typowym przypadku miejsce A zajmuje kation metalu alkalicznego lub ziem alkalicznych, miejsce B – inny metal, a X to najczęściej atomy tlenu lub halogenów. Taka kombinacja sprawia, że materiał może mieć bardzo różne właściwości fizyczne – od dobrej przewodności elektrycznej po ciekawe cechy optyczne.
Nazwa „perowskit” pochodzi od naturalnego minerału – tytanianu wapnia – który stał się pierwowzorem całej tej klasy materiałów. Z czasem tym mianem zaczęto określać nie tylko minerały naturalne, ale także syntetyczne związki o zbliżonej strukturze krystalicznej. Obecnie w laboratoriach powstają perowskity o bardzo różnym składzie, projektowane pod konkretne zastosowania techniczne.
Perowskity mogą występować zarówno w przyrodzie, na przykład w skałach magmowych, jak i być wytwarzane sztucznie w procesach syntezy chemicznej. Ta druga grupa interesuje naukowców szczególnie, bo skład chemiczny i strukturę można „stroić” pod kątem zadanych parametrów – na przykład koloru emisji światła czy zakresu pochłaniania promieniowania. Dzięki temu są jednym z najbardziej elastycznych narzędzi współczesnej inżynierii materiałowej.
Do czego służą perowskity?
Najgłośniej o perowskitach mówi się dziś w kontekście fotowoltaiki, ponieważ bardzo efektywnie zamieniają światło na energię elektryczną. Wysoka zdolność absorpcji sprawia, że do zbudowania wydajnego ogniwa wystarczą bardzo cienkie warstwy materiału, co znacząco ogranicza zużycie surowców. Jednocześnie mogą pracować także przy słabszym oświetleniu, w tym przy świetle rozproszonym czy sztucznym.
Dzięki tym cechom rozwijane są elastyczne, lekkie ogniwa perowskitowe, które można nanosić na folie, dachówki, szyby czy elementy fasad. Techniki druku pozwalają tworzyć warstwy perowskitu o zróżnicowanych kształtach i barwach, co otwiera drogę do integrowania źródeł energii z niemal dowolną powierzchnią – od karoserii pojazdów po elementy odzieży. Takie rozwiązania rozważa się również dla elektroniki użytkowej, na przykład urządzeń typu wearables czy sprzętu mobilnego.
Oprócz przetwarzania energii słonecznej perowskity wykorzystywane są także w optoelektronice, między innymi w diodach LED i elementach wyświetlaczy. Badania nad tzw. kropkami kwantowymi z perowskitu pozwoliły uzyskać stabilne, jasne źródła czerwonego światła, przydatne zarówno w ekranach, jak i w bardziej specjalistycznych zastosowaniach. Materiały tego typu bada się również pod kątem zjawisk takich jak nadprzewodnictwo czy nietypowe własności magnetyczne, co interesuje fizyków i inżynierów wysokich technologii.
Nowe kierunki zastosowań
Coraz większą uwagę przyciąga potencjał perowskitów w medycynie, zwłaszcza w tzw. opatrunkach świetlnych. Opracowywane są elastyczne diody LED oparte na perowskitach, emitujące promieniowanie z zakresu czerwieni i bliskiej podczerwieni, które może wspierać proces gojenia ran. Rozwiązania takie mogą być szczególnie ważne dla osób starszych, pacjentów z chorobami przewlekłymi czy sportowców po urazach.
Dzięki możliwości formowania cienkich, giętkich struktur, perowskitowe elementy elektroniczne nadają się do integracji z odzieżą, opatrunkami czy innymi elastycznymi nośnikami. Łączenie funkcji energetycznych i biomedycznych w jednym materiale tworzy zupełnie nowe pole rozwoju tzw. inteligentnych materiałów. Opisy tych badań pojawiają się już w międzynarodowych serwisach naukowych, co pokazuje skalę zainteresowania tym kierunkiem.
Perowskity analizowane są także pod kątem zastosowań w budownictwie i przemyśle zbrojeniowym, przy odpowiednich domieszkach pierwiastków nadających im pożądane właściwości. Możliwość dopasowania składu do konkretnej funkcji sprawia, że ten typ materiałów jest użyteczny zarówno w dużej infrastrukturze, jak i w miniaturowych urządzeniach elektronicznych. Z tego powodu wiele ośrodków badawczych traktuje perowskity jako jeden z filarów przyszłych technologii energetycznych i materiałowych.
Najważniejsze zalety perowskitów
Perowskitowe ogniwa słoneczne osiągnęły w laboratoriach sprawności sięgające ponad 25%, co plasuje je na poziomie klasycznych ogniw krzemowych przy znacznie cieńszych warstwach aktywnych. Materiał bardzo efektywnie pochłania światło, dzięki czemu do uzyskania wysokiej sprawności wystarczą powłoki liczone w mikrometrach.
Dużą zaletą jest możliwość wytwarzania ogniw w niskiej temperaturze z wykorzystaniem technik zbliżonych do druku, takich jak powlekanie roztworowe czy druk atramentowy. Przekłada się to na potencjalnie niższe koszty produkcji niż w klasycznej fotowoltaice krzemowej oraz szansę uruchamiania linii w wielu krajach, bez potrzeby bardzo energochłonnych procesów.
Perowskity można nanosić na elastyczne podłoża, tworząc lekkie, giętkie moduły, które można integrować z fasadami budynków, szybami, dachówkami, a nawet elementami odzieży czy obudowami urządzeń. Sprawnie działają także przy rozproszonym oświetleniu, co czyni je atrakcyjnymi do zastosowań w miastach i wnętrzach, np. do zasilania elektroniki o niskim poborze mocy.
Najważniejsze wady i ograniczenia
Kluczowym problemem jest trwałość – wiele ogniw perowskitowych szybko traci sprawność pod wpływem wilgoci, tlenu, podwyższonej temperatury czy długoletniego nasłonecznienia. W warunkach zewnętrznych materiał łatwo degraduje się, jeśli nie zostanie bardzo dobrze zabezpieczony, co utrudnia komercjalizację na dużą skalę.
Dodatkowym wyzwaniem jest fakt, że najbardziej wydajne dotąd warianty perowskitów zawierają związki ołowiu. Stwarza to ryzyko dla środowiska i wymaga opracowania skutecznych metod hermetyzacji oraz systemów recyklingu, aby ograniczyć możliwość wycieku toksycznych substancji.
Kolejnym ograniczeniem jest wciąż niewystarczająco dobrze poznana długoterminowa praca tych materiałów w rzeczywistych instalacjach, w różnych strefach klimatycznych. Skala przemysłowej produkcji jest na razie niewielka w porównaniu z krzemem, co oznacza mniejszą dostępność komponentów i wyższe ryzyko dla inwestorów.
Polska pionierka i jej przełomowe odkrycie
W 2014 roku Olga Malinkiewicz opracowała metodę druku niskotemperaturowego perowskitów. To właśnie ona stała się bohaterką głośnej rozmowy na Kanale Zero. Jej firma Saule Technologies jako jedna z pierwszych na świecie uruchomiła pilotażową linię produkcji tych innowacyjnych ogniw. Opracowana technologia umożliwia nanoszenie cienkich i elastycznych warstw perowskitu na różnorodne podłoża.
Dzięki temu możliwe stało się tworzenie lekkich, giętkich modułów fotowoltaicznych, które sprawdzają się tam, gdzie tradycyjne sztywne panele krzemowe nie mogłyby w ogóle działać. Wyobraźnia podpowiada dziesiątki zastosowań – od okien generujących prąd, przez fasady budynków, po elementy odzieży.
Liczby mówią same za siebie. W laboratoriach panele perowskitowe osiągają już 25,5 procent wydajności. Dla porównania, w 2009 roku było to zaledwie 3,8 procent. Standardowe panele krzemowe działają zwykle w granicach 20-22 procent. Jeszcze większe nadzieje wiążą się z ogniwami tandemowymi, łączącymi perowskity z krzemem – te w testach przekraczają już 29 procent wydajności.
Ciemne chmury nad polskim sukcesem
Niestety, historia Saule Technologies przybrała nieoczekiwany obrót. Od miesięcy firma przechodzi poważne perturbacje. Trwa spór pomiędzy władzami spółki, w który zaangażowana jest prokuratura i sądy. Szczegóły konfliktu pozostają przedmiotem postępowań prawnych, ale jedno jest niepokojące – podczas gdy polska firma walczy o przetrwanie, Chiny i Stany Zjednoczone poczyniły znaczące postępy w wykorzystaniu tej samej technologii.
Perowskity mają też obiektywne ograniczenia technologiczne, nad którymi pracują laboratoria na całym świecie. Największym wyzwaniem pozostaje stabilność materiału. Perowskity są wrażliwe na wilgoć, tlen i wysokie temperatury, a ich trwałość jest obecnie znacznie krótsza niż 25 lat oferowane przez standardowe panele krzemowe.
Drugą istotną przeszkodą jest wykorzystanie ołowiu w produkcji. Najbardziej wydajne mieszanki wciąż go zawierają, co budzi wątpliwości dotyczące recyklingu i wpływu na środowisko. Alternatywy oparte na cynie nie osiągają porównywalnej sprawności ani trwałości. Problematyczne jest również skalowanie produkcji – wytwarzanie dużych paneli wymaga zachowania idealnej jednorodności warstw, a nawet drobne niedoskonałości obniżają wydajność całego modułu.
Mimo tych przeszkód perowskity mają przewagi trudne do przecenienia. Produkują energię o świcie, w cieniu, w dni pochmurne oraz przy sztucznym oświetleniu – w warunkach, w których krzem traci znaczną część efektywności. Mogą stać się elementem budynków, wspierać zasięg pojazdów elektrycznych, a nawet być montowane bezpośrednio na karoseriach samochodów.
Tempo badań sugeruje, że technologia dojrzewa szybko. Jeżeli naukowcom uda się rozwiązać problemy ze stabilnością i toksycznością, perowskity mogą odegrać rolę podobną do tej, jaką krzem miał w fotowoltaice kilkadziesiąt lat temu. Wynalazek polskiej badaczki mógłby zapoczątkować nowy rozdział w energetyce słonecznej. Pod warunkiem jednak, że spory wokół Saule Technologies nie pogrzebią szans Polski na udział w tej globalnej rewolucji.
