Źródło energii elektrycznej naszych marzeń powinno spełniać kilka zasadniczych cech: być dostępne dla wszystkich, nie wymagać skomplikowanej maszynerii do działania, mieć jak najdłuższy czas życia oraz być zbudowane z materiałów tanich i degradujących się w sposób przyjazny środowisku. Już pierwsze z tych wymagań nakierowuje nas na wykorzystanie energii słonecznej, do której ma bezpośredni dostęp każdy region.

Nie powinno nas zatem dziwić, że właśnie teraz energetyka słoneczna stała się po raz pierwszy największym źródłem energii w Unii Europejskiej, nieznacznie wyprzedzając energetykę jądrową. Warto podkreślić, że nikt nie dąży do zastąpienia całej produkcji energii energetyką słoneczną czy wiatrową. Wiązałoby się to z poważnymi wahaniami podaży prądu zależnymi od warunków atmosferycznych. Dlatego elektrownie jądrowe czy wysokiej jakości elektrownie gazowe są i będą potrzebne do stabilizacji sieci energetycznej.

Jak zatem działa energetyka słoneczna, a w szczególności najczęściej stosowana konwersja fotowoltaiczna? Foton, czyli mała porcja energii światła słonecznego, uderzając w materiał, może przez niego przelecieć, zostać od niego odbity lub pochłonięty. Najczęściej obserwujemy pewną mieszankę tych efektów. Część zaabsorbowanej przez materiał energii może zostać wykorzystana do przeniesienia elektronów do tzw. pasma przewodnictwa, skąd mogą zostać pobrane, generując prąd elektryczny o określonym napięciu i natężeniu.

- Stosunek mocy elektrycznej uzyskanej z ogniwa do mocy padającego na nie światła określa parametr zwany sprawnością ogniwa fotowoltaicznego. I właśnie tutaj pojawia się potrzeba badań nad innymi materiałami do budowy ogniw fotowoltaicznych niż dotychczasowo stosowany krzem, ponieważ zbudowane na jego bazie panele, które najczęściej widzimy na dachach, osiągają około 15 proc. sprawności. Oczywiście chcielibyśmy więcej - mówi dr Dominik Wrana z Instytutu Fizyki im. Mariana Smoluchowskiego UJ zajmujący się badaniami nad perowskitami.

Perowskity - materiały o strukturze chemicznej ABX₃, gdzie dwa kationy (A i B) oraz anion X tworzą kryształy o strukturze sześcianu. Zastosowanie takich materiałów pozwala zwiększyć sprawność paneli do około 26%, a w przypadku ogniw tandemowych, czyli użycia dwóch warstw - krzemu i perowskitu, do ponad 35%. Do dalszych zalet ogniw perowskitowych należy możliwość tworzenia ich w formie elastycznej - kto nie chciałby mieć czapki lub plecaka pokrytego ogniwami, które ładowałyby smartfona w czasie porannej drogi do pracy? Dzięki bardzo cienkiej warstwie perowskitów, mogącej mieć około 5 mikrometrów grubości (czyli około 20 razy mniej niż ludzki włos), jest to możliwe. Dodatkowo pojawia się pomysł nakładania ogniw na okna. Chociaż tracą one wtedy około 30% przezroczystości, to mogą produkować prąd dla naszych domów i biur. Co ciekawe, ogniwa perowskitowe można drukować przy użyciu drukarki atramentowej. A jakie są koszty takich ogniw? Ostrożne szacunki wskazują, że mogą być nieco tańsze w produkcji niż ogniwa krzemowe, osiągając ceny około 30 dolarów za metr kw.

- Choć perowskitowe ogniwa fotowoltaiczne wyglądają na spełnienie marzeń naukowców i ekonomistów, mają niestety swoje słabe strony. - Często zawierają ołów, choć nie muszą, o czym pokazują najnowsze badania, a przede wszystkim odznaczają się niską stabilnością. Obecnie żadne z wyprodukowanych ogniw nie wytrzymuje więcej niż kilku miesięcy ciągłej pracy, po czym ich wydajność spada poniżej 80% wartości początkowej - dodaje dr Dominik Wrana.

Czy uda się to poprawić? Codziennie pojawiają się kolejne artykuły naukowe przesuwające tę granicę, więc jest duża nadzieja. Na teraz i na najbliższe kilka lat fotowoltaiczne ogniwa krzemowe trzymają się jednak mocno.