I årevis har perovskittsolceller vært den fornybare energiverdens favoritterte. De er billige. De er enkle å lage. De fortsetter å slå effektivitetsrekorder i laboratoriet. Høres perfekt ut, ikke sant? Det er en hake – en stor en. De faller fra hverandre. Rask.
Perovskittsolceller skades veldig raskt fra eksponering for utendørs fuktighet. Overdreven fuktighet og varme kombinert med sollys vil føre til at de fleste perovskittceller brytes ned i løpet av bare uker eller måneder etter første eksponering. Perovskite solceller har ikke klart å være den lovende solteknologien som de en gang så ut til å være, og vil ikke oppfylle standard kvalitetskrav for et solcelleprodukt som kan brukes i felt. Derfor, mens det har vært betydelig interesse og publisitet om perovskittsolceller, er det ingen kommersielle muligheter for denne nye teknologien i dag (f.eks. tak og store solcelleinstallasjoner).
Et økende antall materialforskere og ingeniører som jobber i nye utviklingsselskaper tror at de har identifisert et mulig nytt materiale som vil gi en måte å løse nedbrytningsproblemene knyttet til perovskittsolceller, nemlig grafen. Grafen har noen svært forskjellige fysiske egenskaper som gjør det mulig å unngå problemene forbundet med andre solcellematerialer.
Hva er så spesielt med et ettatomtykt ark?
Grafen er i utgangspunktet et enkelt lag med karbonatomer, arrangert som hønsenetting. Den er nesten helt gjennomsiktig, tynnere enn noe du kan forestille deg, men likevel omtrent 200 ganger sterkere enn stål. Det er tilfeldigvis også den beste elektriske lederen naturen noen gang har drømt om – i hvert fall i laboratoriemiljøer.
Nå, her er den smarte delen. Forskere fant ut at du kan legge grafen på toppen av en perovskittcelle, eller blande små biter av den inn i lagene som omgir perovskitten. Det tynne karbonteppet gjør tre nyttige ting samtidig.
For det første fungerer den som en lufttett regnfrakk. Oksygen og vanndamp kan ikke snike seg gjennom grafengitteret. Det alene stopper mange av de kjemiske reaksjonene som dreper perovskittceller. Noen lag har sett ubeskyttede celler dø i løpet av noen hundre timer, mens de grafenbelagte fortsetter å nynne med i tusenvis av timer.
For det andre er grafen fantastisk til å fjerne elektriske ladninger. Inne i en fungerende solcelle skaper sollys par med negativt ladede elektroner og positivt ladede «hull». Hvis de henger for lenge inne i perovskitten, forårsaker de problemer – rekombinerte sløsende eller utløser bivirkninger. Graphenes superkraft tar tak i disse ladningene og flytter dem raskt ut, noe som både beskytter cellen og øker kraften litt.
For det tredje – og denne overrasket mange – grafen gjør perovskitten fysisk tøffere. Eksponeringen av en krystall for sollys på dagtid etterfulgt av avkjøling om natten skaper en gjentatt syklus av oppvarming og avkjøling med svært minimal ekspansjon, og denne gjentatte bøyningen vil til slutt produsere mikroskopiske sprekker langs sukkerkrystallens korngrenser på grunn av tilsvarende frysing og tining på fortau, etc. Grafen er en ufattelig stiv materiale som vil føre til mindre stivhet av støtten. svake områder i krystallstrukturen. Hvis det dannes en sprekk, vil den ikke bevege seg like raskt gjennom den krystallinske strukturen.
Fra lab kuriositeter til noe du nesten kan kjøpe
For ikke lenge siden var alt dette rent akademisk. En doktorgradsstudent brukte måneder på å lage en liten, håndlaget perovskittcelle, legge forsiktig et stykke grafen oppå, og deretter kjøre noen hundre timer med tester. Det fungerte, men ingen visste hvordan det skulle gjøres i en virkelig skala.
Det er i endring. Ingeniører har funnet ut måter å laminere ferdiglagde grafenplater på flere centimeter brede perovskittmoduler. Andre dyrker grafen direkte på cellen ved hjelp av lavtemperaturmetoder. Og noe av det mest praktiske arbeidet innebærer å blande oppkuttede grafenfragmenter – noen ganger kalt grafennanoplateletter – inn i de klebrige, utskrivbare lagene over og under perovskitten. Den tilnærmingen trenger ikke et perfekt, ubrutt ark med grafen. Et rotete nettverk av små grafenflak gir deg fortsatt de fleste fordelene, til en brøkdel av prisen.
En håndfull små selskaper, for det meste i Kina og Europa, bygger i det stille pilotproduksjonslinjer ved å bruke disse ideene. De annonserer ikke store tall ennå – bransjen er fortsatt forsiktig – men stemningen på nylige energikonferanser har endret seg. Folk begynner å tro at dette faktisk kan fungere utenfor et renrom.
Hva dette betyr for strømregningen din
Hvis grafenforsterkede perovskittceller noen gang kommer til masseproduksjon, blir økonomien interessant. Silisiumpaneler er allerede billige – omtrent 10 til 15 cent per watt – men å lage dem krever supervarme ovner, ekle kjemikalier og stivt glass. Perovskittceller, derimot, kan skrives ut som avispapir ved nesten romtemperatur. Råvarene er rikelig og billige. Potensiell kostnad? Noen analytikere hvisker fem øre per watt eller enda lavere.
Det vil omtrent halvere prisen på solenergi. Men her er kickeren – ingen vil kjøpe et panel som mislykkes etter to år. Verktøy og huseiere ønsker 25 års garanti. Uten grafen kan ikke perovskitt drømme om det engang. Med grafen holder tidlige prototyper nå på mer enn 90 prosent av sin originale produksjon etter flere tusen timer med kontinuerlig, brutal testing. Det er fortsatt ikke 25 år, men det er en tusen ganger forbedring i forhold til hvor teknologien sto for bare fem år siden.
Mer enn bare stive paneler
En annen grunn til at folk er begeistret: fleksibilitet. Silisiumskiver knekker hvis du ser feil på dem. Men perovskitt-grafenlag kan skrives ut på tynne plast- eller metallfolier. Det åpner for ville nye bruksområder. Se for deg solceller laminert på det buede taket på en elbil, eller sydd inn i en ryggsekk for å lade telefonen din, eller viklet rundt en drones vinge. Noen arkitekter leker med halvtransparente perovskittvinduer som genererer strøm samtidig som de slipper inn lys.
Ingenting av det er science fiction lenger. Prototyper har overlevd tusenvis av svinger uten å svette. Kombinasjonen av perovskitts effektivitet og grafens seighet og ledningsevne låser opp applikasjoner som silisium rett og slett ikke kan berøre.
Fortsatt arbeid å gjøre, men veien blir klarere
La oss være ærlige – grafen i seg selv er ikke perfekt. Å lage enkeltlags grafen av høy kvalitet konsekvent og billig er fortsatt vanskeligere enn det høres ut til. Prisene har falt mye det siste tiåret, men de er ennå ikke lave nok for gode solcellepaneler. Og ingen har bevist at et grafen-perovskittpanel virkelig kan vare i 20 år utendørs. Den typen data tar tid.
Likevel er farten reell. Mer enn hundre patentfamilier dekker nå grafen-perovskitt-kombinasjoner. Investeringspenger strømmer inn i startups som pleide å bli ledd av pitch-møter. Selv noen store silisiumpanelprodusenter finansierer i det stille perovskitt FoU, bare i tilfelle den gamle teknologien blir hoppet over.
Det er ingen garanti. Men det er det mest håpefulle tegnet perovskittsolceller har sett på lenge.
