Perowskity i (ich) nowe technologie

Jeszcze nie wybrzmiał do końca zachwyt nad foliami perowskitowymi pozyskiwanymi w syntezie chemicznej, a już opracowano nową technologię pozyskiwania tych przeciekawych kryształów gromadzących energię słoneczną, a pozwalających na odbiór elektrycznej.

Istotą wynalazku jest to, że się go wynajduje, a następnie jest on ulepszany i ulepszany aż do momentu, gdy przestaje jako obiekt być ludziom użyteczny. Zastąpiony zostaje przez inny wynalazek, a sam ląduje w muzeum techniki. Choć niestety często prototyp wynalazku się nie zachowa, jak to było w przypadku lampy naftowej Ignacego Łukasiewicza. Kolejne jej ulepszone wersje, np. Rudolfa Ditmara, są już nam znane w detalach.

 

Wynalazki ponadto – i to też jest ich sednem – muszą być przełomowe. Niektórych takich przełomów dokonali Polacy, jak chociażby wspomniany galicyjski farmaceuta i wynalazca, który dziś właśnie z tego względu patronuje Sieci Badawczej Łukasiewicz – grupie państwowych instytutów badawczych – a wśród nich wrocławskiemu PORT-owi, czyli Polskiemu Ośrodkowi Rozwoju Technologii.

 

Jakieś 20 minut drogi od PORT-u zorganizowano inny dolnośląski inkubator innowacyjności: Wrocławski Park Technologiczny. To właśnie na jego terenie znajduje się przedsiębiorstwo Saule Technologies kierowane przez Olgę Malinkiewicz, które w maju 2021 r. uruchomiło pierwszą na świecie wytwórnię perowskitowych ogniw słonecznych.

A uruchomiło, bo to właśnie ta polska fizyk w 2014 r. zaprezentowała opracowany przez siebie podczas doktoratu na Uniwersytecie w Walencji proces produkcji arkuszy perowskitowych za pomocą druku atramentowego w niskich temperaturach. Technologia ta umożliwia wytwarzanie ogniw na rozmaitych powierzchniach, jak np. telefony komórkowe, żaluzje czy karoserie samochodowe.

 

Czytaj także: Specjalne miejsce w sercu – specjalne miejsce w mózgu

 

Upraszczając – bateria słoneczna uzyskuje postać wydajnej w pozyskiwaniu energii cienkiej i giętkiej folii (można wykorzystać PET, jak w butelkach na napoje), którą można na szybę nakleić i nadal przez okno wyglądać. Można też okleić nią dość dowolne kształty, zatem nawet w kwestii architektury czy kształtowania krajobrazu to ciekawsza propozycja niż te pozbawione urody i ciężkie panele, które wykorzystujemy dziś.

Nie dziwi zatem, że wśród licznych nagród i odznaczeń, także państwowych, jak Krzyż Kawalerski Orderu Odrodzenia Polski, pani Olga może się poszczycić jako pierwsza Polka tytułem „Innovator of the Year” w konkursie „Innovators Under 35” organizowanym przez „MIT Technology Review” – najstarszy magazyn poświęcony technice, którego wydawcą jest Massachusetts Institute of Technology.

Jak jednak wspominałam, wynalazki, jeśli są wielkie, zawsze są ulepszane. Jak możemy przeczytać na łamach najnowszego numeru „Nature Communications” (czyli jak na technologię i bardzo „wysoko”, i jednocześnie do bardzo szerokiego, niespecjalistycznego odbiorcy) zespół badawczy z Instytutu Badań Materiałowych Uniwersytetu Stanu Pennsylwania opracował „uniwersalną, opartą na stanie stałym drogę do syntezy wysokiej jakości perowskitów poprzez jednoczesne zastosowanie zarówno elektrycznych, jak i mechanicznych pól naprężeń podczas syntezy, tj. techniki spiekania wspomaganego polem elektrycznym i mechanicznym (EM-FAST)”.

Tę technologię określa się jako iskrowe spiekanie plazmowe. Polega ona na przykładaniu prądu elektrycznego i ciśnienia do proszków w celu ich połączenia. Proces ma 100 proc. wydajność — wszystkie substraty trafiają do ostatecznego produktu, w przeciwieństwie do 20-30 proc. wydajności uzyskiwanej w mokrej chemii.

 

Motywacja do tego typu poszukiwań nowych rozwiązań w zakresie technologii, która jest przecież raczej najnowsza, niż stara, została wyrażona przez autorów pracy już na wstępie: „Konwencjonalna metoda mokrej chemii (niezbędne substraty rozpuszcza się w nieraz toksycznym rozpuszczalniku – przyp. MK-S) zapewnia łatwość pozyskiwania próbek cienkowarstwowych, ale jest nieefektywną metodą syntezy kryształów w masie”. Okazuje się zatem, nie tylko folie perowskitowe są nam potrzebne.

 

Czytaj także: Nano wykrywa raka mózgu w… moczu

W kwestii technologii pozyskiwania energii wszystko jest (a przynajmniej powinno być, no ale są grube misie od paliw kopalnych, o czym boleśnie przekonujemy się naocznie od roku na własnej skórze, a naród ukraiński za to własną krwią płaci) kwestią uzyskiwanej wydajności procesu i niezbędnych do poniesienia kosztów. Perowskit jest jak najnaturalniejszym minerałem, zbudowanym z tytanianu wapnia i odkrytym w górach Ural, jednak rzadkim (np. w Polsce nie ma zasadniczo żadnych jego istotnych złóż). Konieczna jest zatem synteza.

Ogniwo słoneczne na jego bazie zawiera najczęściej związki o strukturze perowskitu, a nie rzecz samą. To najczęściej hybrydowy organiczno-nieorganiczny materiał na bazie halogenku ołowiu lub cyny jako warstwy aktywnie zbierającej światło.

Ponieważ technologia syntezy nie jest droga, a ogniwo uzyskało już wydajność tego krzemowego, od 2016 r. to właśnie technologie perowskitowe są najdynamiczniej rozwijającą się gałęzią fotowoltaiki. Problemem jest ich stabilność. I tu zdaje się w sukurs przychodzą badacze z Pensylwanii. Jak wyjaśniają na łamach portalu phys.org komentatorzy, „nowy proces umożliwia szybsze wytwarzanie na potrzeby ogniw słonecznych nowej generacji dużych perowskitów przy mniejszej ilości odpadów”.

 

Spiekanie jest powszechnie stosowanym procesem prasowania drobnych proszków w stałą masę materiału za pomocą ciepła i ciśnienia. Autorzy badania, opracowując swą metodę syntezy wykorzystali różne kompozycje perowskitów i projekty różnorodne pod względem kształtu. Uzyskali wyjątkowo wysoką wydajność, szybkie przetwarzanie, a powstające produkty miały jakość monokryształów.

Można je – co pokazano na przykładach – zastosować w fotodetekcji i termoelektryce. Ponieważ opracowana synteza korzysta z suchych substratów, może pozwolić na nowe domieszki niekompatybilne z mokrą chemią, choćby nierozpuszczalne w zastosowanym rozpuszczalniku – ergo nowe właściwości produktu końcowego. Czy z tego urodzą się nowe materiały, pokaże czas. 

Wyzwanie jest zawsze takie samo: szybciej, lepiej, taniej. Jest też pewne, że na wstępnym etapie rozwoju jakiejś technologii rodzi się także różnorodność – optymalizacja nie musi polegać na stworzeniu jednej najlepszej rzeczy, bo jak coś jest do wszystkiego, to bywa do niczego.

Nie jestem materiałoznawcą, ale mam przeczucie, że w temacie pozyskiwania energii słonecznej, ale także być może nowych detektorów różnych rodzajów promieniowania, pojawiło się coś realnie nowego. Niekoniecznie w tej materii jedyne czy najdoskonalsze, ale z pewnością otwierające kolejne nowe możliwości.

#nauka #technologia #rozwój #technika #energia