Wyobraźmy sobie, że świat przestał być uzależniony od baterii, a urządzenia elektryczne nie wymagają podłączenia do sieci energetycznej. Nie musimy nerwowo spoglądać na poziom naładowania baterii w telefonie czy laptopie, a ściany, dachy, a nawet nasze ubrania produkują energię elektryczną. Utopia czy też nieodległa przyszłość? Z pomocą technologii opracowanej przez Olgę Malinkiewicz raczej to drugie.
POCZĄTEK
Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Po ukończeniu licencjatu Olga Malinkiewicz wybiera się w ramach programu Erasmus do Hiszpanii. Podczas studiów zdobywa umiejętność obsługi nowoczesnej aparatury badawczej oraz prowadzenia skomplikowanych procesów chemicznych. Jako młody naukowiec po ukończeniu studiów na Uniwersytecie Barcelońskim rozpoczyna pracę w placówce ICFO (The Institute of Photonic Studies). Następnie zaczyna studia doktoranckie na Uniwersytecie w Walencji, w ramach których bierze udział w licznych spotkaniach i konferencjach naukowych. Na konferencji w Sewilli uczestniczy w inspirującym wykładzie na temat perowskitów – odkrytej w 1838 r. grupy związków nieorganicznych o ciekawych właściwościach. Olga uznaje perowskity za niezwykle interesujące – postanawia nad nimi pracować.
Na pierwsze sukcesy nie trzeba było długo czekać. Kilka miesięcy po rozpoczęciu badań Olga Malinkiewicz wraz z grupą współpracowników opublikowała artykuł opisujący nową metodę pozyskiwania fotowoltaicznych ogniw perowskitowych. Metoda okazała się bezkonkurencyjna pod względem kosztów wytwarzania ogniw, jak również ich jakości.
W wywiadzie telewizyjnym, w programie Grzegorza Miecugowa pt. „Inny punkt widzenia”, Olga Malinkiewicz opowiada o początkach swoich badań nad ogniwami fotowoltaicznymi z wykorzystaniem perowskitów: – „W nauce nie da się niczego zaplanować. Wszystko było zbiegiem okoliczności. Okazało się, że zdobyte na studiach umiejętności bardzo przydały mi się do opracowania tej technologii. Ci, którzy do tej pory zajmowali się ogniwami perowskitowymi, pochodzili z trochę innego <<działu>>. Ja wykonywałam to wedle swoich wcześniejszych doświadczeń, na swój sposób, dzięki czemu powstało coś nowego.”
56 dni potrzebuje Słońce, aby dostarczyć do Ziemi tyle energii, ile zawierają wszystkie złoża węgla, ropy i gazu.
CZYM TAK WŁAŚCIWIE SĄ PEROWSKITY?
Perowskity zostały odkryte w górach Ural przez niemieckiego mineraloga, Gustava Rosego. Stanowią one grupę materiałów o specyficznej strukturze krystalicznej. Pojawiają się w naturze, np. w skałach i magmie. Występują w licznych odmianach, a ich wytwarzanie możliwe jest również w laboratorium, w procesie syntezy chemicznej. Niektóre z odmian perowskitów są szczególnie wskazane do stosowania w fotowoltaice.
Prace z perowskitami zaczęły się kilkadziesiąt lat po ich odkryciu. Eksperci z IBM, chcąc zastosować je w tranzystorach i diodach, rozpoczęli badania nad syntezą jednej z odmian. Szybko jednak okazało się, że stworzone przez nich perowskity nie dają wystarczająco dobrych efektów – był to gwóźdź do trumny dla tego projektu, który szybko został zamknięty. Po 30 latach patent IBM wygasł, a perowskity wróciły do łask naukowców.
Kolejne badania prowadził profesor Tsutomu Miyasaka z Japonii. Opracowane przez niego ogniwa słoneczne posiadały sprawność rzędu 3%. Tak niska wydajność oraz niewielka trwałość ogniw zadecydowały o zaprzestaniu dalszych badań. Ogniwa o zadowalającej wydajności zostały uzyskane dopiero w roku 2009. To właśnie wtedy dr Henry Snaith z Uniwersytetu w Oxfordzie zmodyfikował stosowaną do tej pory metodę wytwarzania ogniw perowskitowych, co umożliwiło zwiększenie ich wydajności do 10% (wartość tę uzyskano już w czasie pierwszych testów, co zostało uznane za bardzo obiecujący znak). Sukces ten przyczynił się do otwarcia przez naukowca przyuczelnianego ośrodka badawczego, który od tej pory pracuje nad stworzeniem niskokosztowego, wydajnego ogniwa perowskitowego – to pierwszy ośrodek tego typu na świecie. Badania dr. Snaitha zostały opublikowane w magazynie „Science” (2012 r.) i skupiły uwagę naukowców z całego świata.
PRZEŁOM
Kiedy w głowie Olgi rodzi się zamysł, aby zająć się badaniami nad perowskitem, okazuje się, że jest sama – w laboratorium Uniwersytetu w Walencji, gdzie prowadzi właśnie badania, nikt nie zajmuje się ogniwami fotowoltaicznymi. Do pracy namawia więc jednego z tamtejszych naukowców, dr. Henka Bolinka. W trakcie badań postanawia zastosować związki, z którymi do tej pory pracowała i które dobrze znała.
Zaproponowana przez Olgę technologia zakładała wytworzenie perowskitu w oparciu o metyloamonowy jodek ołowiu. Rozwiązanie to pozwoliło wyeliminować stosowane do tej pory tlenki metali (Al2O3, TiO2 i ZrO2), które sprawiały, że produkcja ogniw perowskitowych wymagała zastosowania energochłonnego procesu spiekania. Choć brzmi to dość skomplikowanie, to technologię opracowaną przez polskiego naukowca można podsumować trzema słowami – tania, prosta, skuteczna. Wytwarzane tą metodą ogniwa wyjątkowo dobrze przetwarzają energię słoneczną na energię elektryczną. Co więcej, dzięki unikalnej strukturze perowskitu (ciągłość i gładkość) daje on ogromne perspektywy wykorzystania.
Metoda opracowana przez młodego naukowca zostaje opatentowana. W 2013 roku, w Nature Photonics ukazuje się pierwsza publikacja Olgi Malinkiewicz oraz innych uczonych biorących udział w projekcie, w tym dr. Henka Bolinka. Artykuł wskazuje, że dzięki opracowanej technologii możliwe było zwiększenie wydajności ogniw do 12%, tj. do poziomu porównywalnego z ogniwami krzemowymi (najbardziej popularne ogniwa krzemowe osiągają sprawność rzędu 14–17%, wartość ta wzrasta do 20% w przypadku drogich ogniw monokrystalicznych o specjalnej konstrukcji). Co ważne, proces wytwarzania ogniw przebiegał w niskiej, pokojowej temperaturze.
28 marca 2014 roku, w Brukseli, Olga Malinkiewicz przedstawia swoje odkrycie w konkursie organizowanym przez Komisję Europejską, w którym zdobywa prestiżową nagrodę Photonics21. Tym samym ponownie udowadnia, że ogniwa perowskitowe wytwarzane jej metodą mogą konkurować z istniejącymi technologiami fotowoltaicznymi. Praca zostaje doceniona nie tylko pod kątem naukowym, ale również praktycznego przełożenia na codzienność. Wtedy też zaczynają zgłaszać się prywatni inwestorzy, m.in. ze Szwajcarii i Stanów Zjednoczonych. Olga postanawia jednak skomercjalizować osiągnięcie w Polsce.
Obecnie wydajność laboratoryjna ogniw słonecznych z zastosowaniem perowskitu jest w istocie zbliżona do najlepszych technologii fotowoltaicznych (m.in. krystalicznego krzemu, CdTe i CIGS) i kształtuje się na poziomie 20%. Należy jednak mieć na uwadze fakt, iż ogniw na bazie perowskitu nie można bezpośrednio porównywać z ogniwami krzemowymi, ponieważ jest to całkowicie odmienne podejście do tematu fotowoltaiki.
Słońce jest źródłem praktycznie całej energii docierającej do Ziemi. Moc promieniowania Słońca wynosi aż 3,845 x 1026 W, co oznacza, że w ciągu każdej sekundy Słońce emituje energię wystarczającą do zagotowania lodowatej wody zawartej w sześcianie o boku 971 km.
Na Ziemi i w atmosferze jest łącznie tylko 1,36 x 109 km3 wody, czyli cała ziemska woda zmieściłaby się w sześcianie o boku zaledwie 1113 km, a energia emitowana przez Słońce zagotowałaby ją w ciągu zaledwie półtorej sekundy.
CO WYRÓŻNIA PEROWSKITY?
Ogniwa perowskitowe, których zasadniczymi zaletami są: wysoka zdolność pochłaniania światła, elastyczność, przezroczystość i lekkość, mogą służyć do pokrywania najróżniejszych materiałów – począwszy od cienkich folii PET (które mogą być zastosowane np. do laminowania innych przedmiotów), przez dachówki i ściany, na ubraniach i elektronice skończywszy. W ten sposób każdy z tych przedmiotów stałby się minielektrownią produkującą czystą energię.
Perowskit charakteryzuje się barwą brązową, jednakże w zależności od użytego dodatku można uzyskać również barwę żółtą lub czerwoną, o różnej przeźroczystości. Należy jednak pamiętać, że im ciemniejsze ogniwo, tym więcej światła będzie absorbowano, a tym samym jego efektywność będzie wyższa.
Materiał pojawił się stosunkowo niedawno, a już dorównuje swoją wydajnością ogniwom krzemowym. Ponadto jest on bardzo tani, przez co może konkurować nawet z paliwami kopalnymi.
WYŚCIG
Olga Malinkiewicz przywozi do Polski nową technologię, będącą niepowtarzalną szansą dla kraju – technologię, której w końcu nie musimy kopiować od innych, która nie jest droga i Polskę byłoby na nią stać, która mogłaby stać się wyznacznikiem trendów w energetyce. Mamy dotacje unijne, programy mające pomagać w rozwoju nauki – wydawać by się mogło, że uprzemysłowienie nowej technologii wytwarzania ogniw perowskitowych na dużą skalę jest w zasięgu ręki. Niestety, nic bardziej mylnego. „Trwa batalia o bycie pierwszym w dostarczeniu gotowego produktu na rynek. Wciąż ścigamy się z Oxfordem, opracowana przez nas metoda jest zdecydowanie tańsza i wykorzystuje bardziej stabilne materiały. To jedyny moment, abyśmy dokonali tego w naszym kraju. Mamy duże wsparcie od strony naukowej z różnych laboratoriów z całego świata i Polski, niemniej, aby to mogło się udać, potrzebne jest dofinansowanie prac badawczo-wdrożeniowych. Jeżeli procedury państwowe będą stały na drodze do zrealizowania celu, zrobimy to prywatnie, wraz ze współfinansującymi nas inwestorami, w kraju, który zapewni nam ku temu najlepsze warunki” – komentuje obecną sytuację Olga Malinkiewicz.