Fotowoltaiczna rewolucja to dzieło polskiej uczonej. Rozmawiamy z dr Malinkiewicz

Fotowoltaika rozwiązuje szereg problemów związanych z produkcją i zużyciem energii, przyczyniając się do zrównoważonego rozwoju i ochrony środowiska. Przede wszystkim, pozwala na generowanie czystej energii, co redukuje emisję gazów cieplarnianych i zmniejsza zależność od paliw kopalnych. Dzięki temu, fotowoltaika wspiera walkę ze zmianami klimatycznymi i przyczynia się do poprawy jakości powietrza.

Instalacje fotowoltaiczne umożliwiają również decentralizację produkcji energii, co zwiększa bezpieczeństwo energetyczne i pozwala na uniezależnienie się od centralnych źródeł zasilania. Daje to użytkownikom większą kontrolę nad własnym zużyciem energii i może prowadzić do obniżenia kosztów energii w długim okresie.

Dodatkowo, fotowoltaika może przyczynić się do rozwoju technologicznego i innowacji, ponieważ rosnące zapotrzebowanie na rozwiązania solarne stymuluje badania i rozwój nowych technologii w tej dziedzinie. Wpływa to również na rynek pracy, tworząc nowe miejsca pracy związane z instalacją, konserwacją i zarządzaniem systemami fotowoltaicznymi.

Ogniwa fotowoltaiczne są kluczowym elementem w produkcji energii odnawialnej, ale ich efektywność może być ograniczona przez szereg problemów technicznych i wyzwań. Wśród nich znajdują się kwestie takie jak niewłaściwa instalacja, która może prowadzić do obniżonej wydajności i skrócenia żywotności paneli. Zanieczyszczenia takie jak brud czy kurz mogą blokować światło słoneczne, zmniejszając efektywność paneli, dlatego regularne czyszczenie jest niezbędne. Uszkodzenia mechaniczne, takie jak pęknięcia w szkle paneli, mogą również wpłynąć na ich działanie.

Innym problemem jest degradacja indukowana potencjałem (PID), która może powodować spadek wydajności paneli z powodu napięcia między ogniwami. Dodatkowo, wadliwa folia ochronna może prowadzić do problemów z ochroną przed warunkami atmosferycznymi. Hotspoty, czyli lokalne przegrzewanie się ogniw, mogą skracać ich żywotność, a zacienienie paneli zmniejsza ich wydajność. Problemy mogą również wystąpić w przypadku przegrzewania się skrzynki przyłączeniowej lub awarii diody bocznikowej lub skrzynki przyłączeniowej, co wpływa na wydajność całego systemu.

- Fotowoltaika to temat, który w zasadzie znany jest nam już od 50 lat. Tylko badania nad panelami się obracały wokół krzemu. Krzem to materiał, który dopracowaliśmy, wyciągnęliśmy z niego wszystko. Ale też od tych 50 lat w ogóle nie zmienił się wygląd tych paneli. Nie wszędzie można je zainstalować. Nie w każdych warunkach one dobrze działają. Są sztywne, kruche i ciężkie. Wszystko wokół nas dynamicznie się rozwija – telefony, telewizory, cokolwiek – ale nie panele. Nie adaptują się do naszego stylu życia - mówi w rozmowie ze Spider’s Web dr Olga Malinkiewicz

Dr Malinkiewicz to polska fizyczka, która jest wynalazczynią taniej metody wytwarzania drukowanych ogniw słonecznych na bazie perowskitów. Jest założycielką i CTO (Chief Technology Officer) w Saule Technologies. W czasie swojej pracy w Hiszpanii opracowała metodę pozwalającą na zastosowanie materiału perowskitowego na dowolnym podłożu, np. folii PET.

W grudniu 2014 r.  założona przez Malinkiewicz spółka Saule Technologies zaprezentowała w Bostonie pierwszy na świecie drukowany perowskit. Za opracowanie niskotemperaturowej technologii wytwarzania elastycznych ogniw fotowoltaicznych na bazie perowskitów otrzymała prestiżową nagrodę w konkursie naukowym Photonics21. W 2015 r. została pierwszą Polką uhonorowaną tytułem Innovator of the Year w konkursie Innovators Under 35 organizowanym przez MIT Technology Review.

- Nieco ponad 10 lat temu będąc jeszcze na studiach w Walencji badałam różne materiały organiczne, tematem mojej pracy doktorskiej były OLED-y. Materiały fotowoltaiczne, które badałam z ciekawości w wolnym czasie, nie były zbyt wydajne, miały niskie sprawności i nie opłacały się kosztowo. Aż nie zaczęłam pracować z materiałem perowskitowym, czyli nowym rodzajem półprzewodnika – opowiada nam dr Malinkiewicz.

Jak dodaje, ten materiał był testowany 30 lat temu, ale pod kątem zastąpienia krzemu w tranzystorach, a nie by zastąpić materiały organiczne w ogniwach słonecznych. Nikt tego nie sprawdził, a okazało się, że jak ten materiał - w uproszczeniu - włożyło się do struktury ogniwa słonecznego, to to ogniwo natychmiastowo osiągało dwucyfrowy współczynnik sprawności. I to jeszcze przed jakimkolwiek głębszym badaniem materiału. - To był szok – pointuje uczona.

- Nie ja jedna nad tym pracowałam, a kilka uniwersytetów, w tym Oxford czy szwajcarskie ośrodki. Tyle ż oni robili ogniwa barwnikowe, organiczne i używali struktur dobrze eksponowanych, które sprawdziły się w innych ogniwach. A że ja zajmowałam się w ramach swojego doktoratu czymś innym, w ogóle tych struktur nie używając – zrobiłam to zupełnie inaczej niż inni - opowiada Malinkiewicz.

Ogniwa perowskitowe to nowoczesny typ paneli słonecznych, które wykorzystują specjalne materiały krystaliczne o strukturze perowskitu do przetwarzania światła słonecznego na energię elektryczną. Nazwa perowskit pochodzi od minerału o tej samej nazwie, który ma podobną strukturę krystaliczną. Te ogniwa są znane z wysokiej wydajności i potencjału do tańszej produkcji w porównaniu z tradycyjnymi ogniwami krzemowymi.

Główną zaletą ogniw perowskitowych jest ich elastyczność i możliwość zastosowania na różnorodnych powierzchniach, co otwiera drogę do nowych zastosowań, takich jak elastyczne panele słoneczne, które można umieszczać na budynkach, pojazdach czy nawet urządzeniach przenośnych. Ponadto, proces produkcji ogniw perowskitowych może odbywać się w niższych temperaturach, co obniża koszty i sprawia, że są one bardziej dostępne.

- Okazało się, że do stworzenia ogniwa moim sposobem nie są potrzebne żadne tlenki, wygrzewanie w piecach - dane ogniwo można w zasadzie zrobić na foliach, zamiast tak jak inni na szkle. Czyli tanio i sprawnie. W efekcie wygrałam konkurs Komisji Europejskiej w 2014 r., co otworzyło mi drogę do biznesu – jak opowiada Malinkiewicz.

- Wszyscy mówią "Boże, czemu to tak długo trwa?" Ale chyba też sobie myślą, że przyjechałam 10 lat temu do Polski [by założyć Saule Technologies] i ja tu miałam gotowe, świetnie wyposażone laboratorium, 70 wyszkolonych osób, wykwalifikowany personel - inżynierów, chemików oraz aparat administracyjny - i plany fabryki. Otóż nie, to wszystko trzeba było od zera zbudować. Dziś jestem w stanie udowodnić, że to działa, ale pięć lat temu czy siedem? Nie miałam fabryki, nie miałam skali, Miałam małe ogniwa, próbki, plany i dowody pośrednie. To nie jest kopia technologii, jej import - ona jest rozwijana od zera, a to niestety trwa – jak relacjonuje uczona, dodając, że największy opór napotkała z dość niespodziewanej strony.

- Nie czułam braku zainteresowania wśród inwestorów, tylko raczej brak wsparcia wśród polskich tak zwanych ekspertów. Panował dziwny sceptycyzm: że to się nie uda, że bez sensu. Nie rozumiem tego. Na szczęście te głosy cichną, bo na całym świecie coraz więcej się inwestuje w tę technologię. Wiele lat temu byliśmy tą pierwszą firmą. Dzisiaj już tych firm powstaje bardzo wiele. Jesteśmy w czołówce, bo zaczęliśmy wcześniej. Mamy patenty, fabrykę oraz certyfikat jakości naszych paneli perowskitowych. Już nie jestem postrzegana jako szalona doktor Malinkiewicz, która przyjechała z Hiszpanii i opowiada bajki. Wiele przeciwności losu trzeba było pokonać, żeby postawić na swoim – relacjonuje. Sceptycyzm z pewnością stanowił dodatkowe i niepotrzebne wyzwanie, które z pewnością nie przyczyniło się do szybkiego rozwoju tej technologii. Zagajona jednak w rozmowie o przypadki blokowania innowacji przez skostniałe, ale ogromne korporacje, dr Malinkiewicz od razu wyklucza wszelkie spiskowe teorie związane z kapitalizmem czy praktyką mrożenia patentów.

- Niczego nie można wykluczyć, ale nie jestem zwolennikiem takich teorii. Że ktoś specjalnie coś ukrywał albo utrudniał. Wydaje mi się, że w tym przypadku to był ciąg zdarzeń i nie wydaje mi się, żeby ktoś wiedział, że to tak działa i tego nie zrobił. To przypadek. Techonologia perowskitowa to nie tylko korzyści dla odbiorcy, ale też i dla producenta. Nawet nie mieści się w opisie definicji ciężkiego przemysłu: nasza fabryka stoi w centrum miasta i nikomu nie przeszkadza, bo nawet nikt nie wie, że tam jest, bo jest taka cichutka. A w niej drukarka i laser i laminarka. Bez hałasu, bez odpadu i przy niewielkim zużyciu energii – mówi uczona.

Produkcja ogniw krzemowych wymaga wysokich temperatur, około 1000 stopni Celsjusza, do stopienia krzemu. Proces jest energochłonny i generuje znaczące ilości CO2 w wyniku spalania paliw kopalnych do produkcji energii potrzebnej w procesie. Zresztą samo wydobycie i przetwarzanie krzemu może prowadzić do lokalnych problemów środowiskowych, takich jak degradacja krajobrazu czy zanieczyszczenie wód. Tymczasem produkcja ogniw perowskitowych możliwa jest w niższych temperaturach, nawet do 100 stopni Celsjusza, co znacznie obniża zużycie energii.

Jak dodaje uczona, dziś już nikt nie protestuje. W Chinach miliardy są inwestowane w tą technologię i Unia Europejska pisze ogromne projekty pod dofinansowanie tej technologii na skalę kontynentalną. W Japonii to ta technologia jest wpisana jako strategię rozwoju energetyki. I bardzo szybko się rozwija.

Saule Technologies osiągnęła imponującą sprawność 25,5 proc. przy niskim natężeniu światła w swoich perowskitowych ogniwach fotowoltaicznych. Pomiary laboratoryjne przeprowadzone przez Instytut Fraunhofera ISE potwierdziły tę wysoką wydajność. Ogniwa Saule są elastyczne i mogą pracować przy niskim natężeniu światła, co czyni je doskonałym rozwiązaniem dla różnych aplikacji Internetu Rzeczy (IoT).

W maju 2021 r. Saule Technologies uruchomiła pierwszą linię produkcyjną drukowanych, ultracienkich i elastycznych ogniw słonecznych na bazie perowskitu. To przełomowy moment w rozwoju fotowoltaiki, a technologia perowskitów może znaleźć zastosowanie w wielu sektorach, takich jak BIPV (building integrated photovoltaics), BAPV (building attached photovoltaics), e-mobility i wielu innych.

- Bardzo mi się podobają zastosowania ogniw perowskitowych w kosmosie, bo materiał ten jest odporny na promieniowanie. Ogniwa oparte o krzem lub arsenek galu są bombardowane w kosmosie przez cząsteczki, co oznacza spadek sprawności z biegiem czasu. Tymczasem materiał perowskitowy drukujemy z tuszu i on sam w sobie ma mnóstwo defektów - a mimo tego osiąga tak wysokie sprawności, że wspomniane promieniowanie nie robi różnicy, sprawność jest utrzymana. To moim zdaniem klucz do kosmosu – opowiada uczona.

Jak dodaje, w kosmosie nie ma wilgotności, nie ma tlenu i ogniwom szkodzą tylko wysokie amplitudy temperatur. - Ale to już przetestowaliśmy i wyszło nam, że jeżeli folia wytrzyma to i nasz materiał wytrzyma. Możemy więc stworzyć rozkładany panel, elastyczny żagiel zamiast stosowanych nawet dziś sztywnych modułów, które znacznie trudniej umieścić w pojeździe kosmicznym – mówi Malinkiewicz

W przypadku paneli od Saule można wydrukować dowolny kształt, cała powierzchnia satelity mogłaby być wykorzystana do generowania energii. Uczona dodaje, że technologia perowskitowa pozwala drukować tak lekki i cienki żagiel, że w pudełku od zapałek można by zmieścić 30 metrów kwadratowych jego powierzchni. - A zresztą w ogóle najlepiej by było drukować te ogniwa w kosmosie, wystarczy zapewnić surowiec - jak na stacji kosmicznej zabraknie paneli, to załoga będzie mogła je sobie sama wydrukować – zauważa.

Ogniwa perowskitowe stanowią obecnie jedną z najbardziej obiecujących dziedzin w fotowoltaice, tym niemniej zawsze jest coś, co można poprawić. W tym przypadku, mimo że perowskity osiągają już wysoką sprawność w warunkach laboratoryjnych, naukowcy nadal pracują nad ich dalszą optymalizacją. Możemy spodziewać się, że w przyszłości osiągną jeszcze wyższe wyniki, co sprawi, że staną się bardziej konkurencyjne w porównaniu z tradycyjnymi ogniwami krzemowymi.

Jednym z wyzwań jest zapewnienie trwałości i stabilności perowskitowych ogniw w praktycznym zastosowaniu. Badania nad ich odpornością na warunki atmosferyczne, zmienne natężenie światła i temperaturę są kluczowe dla ich dalszego rozwoju, choć już dziś zapewniają bardzo korzystne wyniki. Wciąż też trwają prace nad przekształceniem technologii perowskitów z laboratoriów do masowej produkcji. Firmy takie jak Saule Technologies już rozpoczęły produkcję, ale powszechna dostępność perowskitowych paneli słonecznych wciąż jest przed nami.

Perowskity mogą znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach, takich jak elektromobilność, zasilanie czujników, laserów czy integrowana fotowoltaika budynkowa. Ich elastyczność i możliwość umieszczenia na różnych powierzchniach otwierają nowe perspektywy. Można przewidywać, że ich rola w przyszłości energetyki odnawialnej będzie wyłącznie coraz większa.

Polska wynalazczyni i jej zespół są jednymi z trzech finalistów Nagrody Europejskiego Wynalazcy (European Inventor Award) 2024 w kategorii MŚP. Pozostali finaliści to francuscy wynalazcy Bruno Mottet i Lydéric Bocquet za technologię wytwarzania energii osmotycznej z wykorzystaniem materiałów nanostrukturalnych oraz fińscy wynalazcy Sirpa Jalkanen i Markku Jalkanen za pracę nad ukierunkowaną immunoterapią w leczeniu raka. Europejski Urząd Patentowy (EPO) ogłosi zwycięzców podczas ceremonii transmitowanej na żywo z Malty 9 lipca 2024 r. Oprócz każdej kategorii, EPO ujawni zwycięzcę Popular Prize, wybranego wyłącznie w głosowaniu publicznym. Głosowanie pozostanie otwarte do dnia ceremonii.

Nie przegap: