Para termasyhur serakah: mengapa energi matahari tidak menaklukkan dunia dan bagaimana "mineral Rusia" dapat menyelamatkannya

Energi matahari adalah salah satu area di mana niat baik manusia hampir selalu di depan kemampuan teknis dan realitas ekonomi. Pencipta panel surya pertama, penemu Amerika Charles Frits, meramalkan kembali pada tahun 1881 bahwa pembangkit listrik biasa akan digantikan oleh yang surya. Dan ini terlepas dari kenyataan bahwa instalasi yang ia ciptakan memiliki efisiensi hanya 1%, yaitu, sinar matahari yang begitu banyak berubah menjadi listrik. Setelah 140 tahun, mimpi Charles Fritts tidak pernah menjadi kenyataan: energi matahari masih berjuang untuk mendapatkan tempat di bawah sinar matahari dengan kincir angin, generator, mata air panas bumi dan mineral. Apa yang memperlambat revolusi matahari dan metode apa yang mencoba memperbaiki panel surya?

Tampaknya setelah menemukan energi matahari, kami memperluas kawat tak kasat mata ke reaktor paling kuat dalam sistem planet kita, yang tidak akan padam setidaknya selama lima miliar tahun lagi (dan kami akan memikirkannya). Tetapi butuh manusia hampir satu abad untuk meningkatkan efisiensi panel surya hanya dengan lima poin persentase - ini terjadi ketika para ilmuwan dari Bell Labs menciptakan baterai yang lebih kuat pada tahun 1954.

Namun demikian, kemajuan energi matahari dalam beberapa tahun terakhir sangat mengesankan. Mereka berinvestasi lebih banyak di dalamnya daripada sumber energi terbarukan lainnya (RES). Pada saat yang sama, biaya rata-rata "listrik tenaga surya" sejak 2010 telah menurun dari $ 0,371 menjadi $ 0,085 per kWh.


Dalam beberapa tahun terakhir, investasi dalam energi surya mengalami stagnasi. Sumber: Badan Energi Terbarukan Internasional (IRENA), Frankfurt School-UNEP Center / BNEF

Namun, tenaga surya belum menaklukkan dunia. Bahkan Jerman, yang pada paruh pertama tahun 2019 menghasilkan lebih banyak energi pada energi terbarukan daripada batubara dan atom, tidak terburu-buru berpisah dengan kapasitas batubara coklat. Pada tahun 2030, direncanakan untuk mengurangi mereka dari 45 GW saat ini menjadi 37 GW. Pada saat yang sama, keberhasilan ekonomi energi surya sebagian besar masih dijamin oleh kebijakan pajak dan subsidi. Ini menjelaskan satu paradoks: harga grosir listrik di Jerman termasuk yang terendah di Eropa, dan yang terakhir termasuk yang tertinggi.

Mengapa tenaga surya masih membutuhkan "kruk keuangan"? Alasannya adalah sebagai berikut:

• energi surya tetap bukan yang paling efisien - faktor pemanfaatan kapasitas terpasang (KIUM), yaitu, rasio energi yang benar-benar dihasilkan terhadap energi yang diproyeksikan yang ditetapkan oleh produsen untuk panel surya, adalah 13-18% di musim dingin dan 30-35% di musim panas, yang merupakan yang terendah di antara yang lain RES, serta gas dan batubara;
• karenanya biaya energi surya yang lebih tinggi - rata - rata dunia adalah $ 0,085 per kWh, sedangkan dalam bioenergi - $ 0,062, untuk sumber panas bumi - $ 0,072, pembangkit listrik tenaga air - $ 0,047; hanya pesaing terdekat yang lebih mahal - ladang angin jauh dari laut dengan indikator $ 0,127, meskipun yang lepas pantai menyediakan energi pada $ 0,056 per kWh;
• ketidakstabilan kedatangan foton dari termasyhur memaksa kita untuk menggunakan perangkat tambahan untuk akumulasi dan distribusi energi (omong-omong, kami berbicara tentang solusi untuk masalah ini);
• sistem tenaga surya membutuhkan banyak ruang, baik itu stasiun besar di lapangan (dan tanah di dekat kota-kota mahal) atau instalasi listrik rumah, yang Anda tidak hanya perlu menghubungkan inverter dan baterai, tetapi juga menyediakan akses untuk pemeliharaan.

Untuk mengatasi masalah ini, Anda perlu membuat panel surya lebih murah, lebih efisien dan - dalam arti harfiah - fleksibel.

Silikon mendikte

Panel surya terdiri dari bahan yang menangkap energi cahaya dengan baik. Biasanya, bahan ini diapit di antara pelat logam yang membawa energi yang terperangkap ke bawah rantai. Dalam panel surya 1954 yang sama yang diproduksi oleh insinyur Bell Labs, silikon memainkan peran utama. Dengan banyak modifikasi, ia masih mendominasi produksi sel surya untuk sel surya, yang membentuk dasar dari 95% panel.

Selama setengah abad, umat manusia telah mengembangkan beberapa jenis sel surya silikon. Bagian terbesar dari pasar dunia ditempati oleh panel silikon polikristalin. Mereka diminati karena ketersediaan relatif, yang disebabkan oleh teknologi produksi yang lebih murah. Tetapi efisiensi panel tersebut lebih rendah dari analog (14-17%, maksimum - 22%). Pilihan yang lebih mahal, tetapi juga lebih efektif adalah panel silikon kristal tunggal. Efisiensi mereka sekitar 22% (maksimum - 27%).


Apa teknologi untuk produksi panel surya mendominasi dunia. Seperti yang Anda lihat, modul surya polikristalin (61%) sebagian besar diproduksi, mono (32%) pada tingkat lebih rendah, dan sangat sedikit film tipis (amorf) - 5%. Sumber: Institut Fraunhofer untuk Sistem Energi Matahari; Konferensi PSE & Konsultasi GmbH

Meskipun ada kemajuan dalam ekonomi dan teknologi panel surya, biayanya tetap tinggi. Untuk itu harus ditambahkan biaya pembuatan pembangkit listrik yang sebenarnya (pengontrol, inverter, baterai), yang tanpanya baterai tidak bekerja. Di berbagai negara, nilai-nilai ini berfluktuasi, tetapi bagian pengeluaran, pada kenyataannya, pada unit fotovoltaik masih tinggi.


Berapakah biaya "solar kilowatt" di berbagai negara? Seperti yang Anda lihat, di negara-negara terkemuka pengenalan energi surya dari sepertiga hingga hampir setengah dari biaya adalah biaya modul. Sumber: Badan Energi Terbarukan Internasional (IRENA)

Bukan silikon tunggal

Dalam upaya mengembangkan panel yang lebih efisien, modul film tipis (amorf) dibuat. Esensinya sederhana: bahan penangkap cahaya diaplikasikan dalam lapisan yang sangat tipis pada film, membuat panel lebih mudah dan lebih fleksibel, dan produksinya membutuhkan lebih sedikit bahan.

Benar, efisiensi mereka jauh lebih sedikit daripada rekan-rekan mereka di toko surya - 6-8% untuk opsi silikon. Namun demikian, sel surya film tipis menang dengan biaya karena mereka membutuhkan lapisan zat penangkap cahaya dengan lebar hanya 2 hingga 8 mikron, yang hanya sekitar 1% dari apa yang digunakan dalam modul kristal konvensional.

Tetapi panel film tipis tidak ideal: karena efisiensinya yang rendah, mereka membutuhkan ruang lantai sekitar 2,5 kali lebih banyak. Ini mendorong para ilmuwan untuk terus mencari bahan yang lebih efektif, yang, di satu sisi, cocok untuk teknologi film, dan di sisi lain, itu akan lebih efektif. Beginilah tampilan panel, berdasarkan senyawa yang lebih eksotis: cadmium telluride (CdTe) dan indium-copper-gallium selenide (CIGS). Elemen-elemen ini memiliki efisiensi yang lebih besar - dalam kasus pertama, indikator mencapai 22%, dan yang kedua - 21%. Sistem seperti ini kehilangan lebih sedikit efisiensi dengan meningkatnya suhu dan bekerja lebih baik dalam kondisi pencahayaan yang buruk. Namun, biayanya lebih tinggi daripada analog silikon karena kelangkaan bahan yang digunakan. Beberapa ilmuwan bahkan percaya bahwa panel seperti itu tidak akan pernah mendominasi pasar, karena mereka tidak akan memiliki sumber daya alam yang cukup. Oleh karena itu, jenis panel surya ini telah menjadi produk khusus yang cocok untuk keperluan spesifik dari kalangan konsumen yang sempit. Paling sering, panel film tipis digunakan oleh konsumen dengan pasokan ruang yang besar: perusahaan manufaktur, gedung perkantoran, universitas dan pusat penelitian, gedung apartemen besar (dengan atap yang luas), serta, pada kenyataannya, pertanian tenaga surya - pembangkit listrik besar. Skala ekonomis dan relatif mudahnya pemasangan panel film tipis yang lebih kuat dan lebih ringan membantu meningkatkan efisiensi mereka yang relatif lebih rendah (dibandingkan dengan silikon kristalin). Sementara itu, pencarian "penangkap" foton yang ideal terus berlanjut.

Halo dari Count Rusia

Calon untuk peran penyelamat energi surya mungkin bisa menjadi bahan yang disebut perovskite. Yang pertama, kalsium titanat, ditemukan pada tahun 1839 oleh Gustav Rosa Jerman di kedalaman bijih Ural dan menamainya dengan nama kolektor batu Rusia Count L. A. Perovsky, itulah sebabnya ia kadang-kadang disebut "mineral Rusia".

Hari ini, ketika berbicara tentang perovskit, paling sering mereka berarti seluruh kelas zat yang memiliki struktur kristal tiga bagian yang sama, pertama kali terdeteksi dalam kalsium titanat. Meskipun dalam bentuk murni, zat-zat seperti itu jarang ditemukan di alam, mereka mudah diperoleh dari massa senyawa lain, dan kristal perovskit dapat ditanam secara buatan. Setiap bagian dari struktur perovskite dapat dibuat dari berbagai elemen, yang memberikan berbagai kemungkinan komposisi "penangkap foton", termasuk timbal, barium, lantanum, dan elemen lainnya. Jadi, telah ditetapkan bahwa kombinasi perovskit dengan beberapa logam alkali memungkinkan pembuatan fotosel surya dengan efisiensi hingga 22%, dan kekuatan teoritis senyawa berdasarkan perovskite mencapai 31%.

Namun, bekerja dengan perovskite tidak begitu sederhana, dan kami di Toshiba yakin akan hal ini. Setelah aplikasi ke film, perovskite mengkristal sangat cepat, yang membuatnya sulit untuk membuat lapisan genap di area yang luas. Sementara itu, ini adalah tugas utama saat membuat sel surya: untuk mencapai area permukaan seluas mungkin dengan tetap mempertahankan efisiensi konversi energi tinggi.

Pada Juni 2018, Toshiba memproduksi sel surya berbasis film tipis perovskit dengan luas permukaan terbesar dan efisiensi konversi energi tertinggi di dunia. Bagaimana Anda bisa melakukan ini?

Kami membagi bahan-bahan yang diperlukan untuk pembentukan perovskite (larutan timbal iodida - PbI₂, metil amonium hidroodida - MAI). Pertama, kami melapisi media dengan solusi PbI , dan kemudian dengan solusi MAI. Berkat ini, kami dapat menyesuaikan laju pertumbuhan kristal pada film, yang memungkinkan untuk membuat lapisan luas yang rata dan tipis.


Teknologi manufaktur modul surya berbasis Perovskite. Bahkan, kami membuat "tinta" dari unsur-unsur pokok perovskit dan "mengoleskannya" pada substrat. Sumber: Toshiba

Ekonomi Perovskit

Meskipun terlalu dini untuk berbicara tentang indikator ekonomi spesifik penggunaan perovskit, karena penggunaan praktis yang luas dari bahan ini dalam panel surya diprediksi setelah 2025, "mineral Rusia" memiliki prasyarat untuk masa depan yang besar dan sukses. Menurut para ahli dari National Renewable Energy Laboratory (NREL), produksi panel perovskite akan sepuluh kali lebih murah daripada rekan-rekan silikon. Paling tidak karena, untuk pembuatan sel surya silikon yang berlaku, pemrosesan bahan pada suhu lebih dari 1.400 derajat dan, karenanya, peralatan canggih diperlukan. Perovskit, sementara itu, dapat dikontrol dalam larutan cair pada suhu 100 derajat pada peralatan sederhana (seperti dalam percobaan kami).


Modul berbasis perovskite yang kami buat memiliki luas 703 meter persegi. dan efisiensi konversi energi yang kami peroleh mencapai 12%. Sumber: Toshiba

Ada dua keuntungan lain dari fotosel perovskite - fleksibilitas dan transparansi. Berkat mereka, panel surya perovskite dapat dipasang di berbagai tempat: di dinding, di atap kendaraan dan gedung, di jendela dan bahkan di pakaian.

Dengan menyesuaikan ketebalan lapisan perovskit, dimungkinkan untuk mengontrol transparansi sel surya berdasarkan bahan ini. Misalnya, dapat digunakan untuk menutupi rumah kaca : tanaman akan menerima jumlah foton yang tepat, dan sebagian darinya akan dipasok oleh jaringan listrik pertanian. Eksperimen untuk menentukan rasio wajar yang dikonsumsi oleh tanaman dan panel cahaya sudah dilakukan di Jepang.

Bidang aplikasi lain yang memungkinkan adalah melengkapi mobil listrik dengan panel surya berdasarkan perovskite. Meskipun kita berada di awal jalan ini, tetapi sudah ada pencapaian pertama. Jadi, para ilmuwan dari Western Reserve University of Cayes (Ohio, AS) bereksperimen menggunakan panel surya kecil berbasis perovskite untuk mengisi ulang baterai kendaraan listrik. Mereka menghubungkan empat sel surya berbasis perovskit ke baterai lithium. Ketika terhubung untuk mengisi baterai lithium-ion berukuran kecil dengan koin, tim ilmuwan mencapai efisiensi konversi sebesar 7,8%, yang setengah dari sel surya film tipis konvensional.

Mungkin juga bahwa pita segera dari panel surya perovskite akan menghiasi baju atau jaket Anda . Sudah diketahui tentang penerapan perovskit pada substrat poliuretan, efisiensi yang dalam penyerapan matahari mencapai 5,72%.

Dan di Rusia, mereka melangkah lebih jauh dalam percobaan dengan perovskite. Ternyata, bahan ini bisa menjadi penghasil emisi yang baik dan cocok untuk menghasilkan cahaya. Para ilmuwan dari Institut Baja dan Paduan Moskow (MISiS) dan Universitas Teknologi Informasi, Mekanika, dan Optik St. Petersburg telah mengembangkan sel surya berbasis perovskit yang secara bersamaan dapat bekerja sebagai baterai dan sebagai LED . Dasarnya adalah perovskite halogen. Untuk beralih fungsi, cukup mengubah tegangan yang dipasok ke perangkat: pada level hingga 1,0 V, prototipe berfungsi sebagai sel surya, dan jika lebih dari 2,0 V disediakan, mode LED dihidupkan. Di masa depan, para ilmuwan dapat mengembangkan film kaca yang akan menghasilkan energi di siang hari dan memancarkan cahaya dalam gelap. Dalam hal ini, ketebalan film maksimum tidak melebihi 3 mikron, yang akan menjaga transparansi kaca. Artinya, tidak akan gelap.


Dalam hampir semua hal, perovskite lebih unggul dari para pesaingnya, termasuk biaya rata-rata listrik sepanjang umur sel surya dari bahan yang diberikan (Levelised Cost of Energy, LCOE). Kesulitan hanya dimungkinkan dengan pembuangan panel usang karena toksisitas senyawa perovskit. Sumber: Kelompok Rekayasa Molekuler Bahan Fungsional (GMF), Swiss

Skala ekonomis

Jadi, perovskite dapat membantu mempromosikan energi surya tidak hanya karena keterjangkauan ekonomisnya, tetapi juga karena cakupannya yang jauh lebih luas: selain industri, perkotaan dan pertanian, panel berbasis perovskite dapat digunakan bahkan dalam kehidupan sehari-hari, khususnya dalam produksi kecil elektronik, peralatan rumah tangga dan bahkan pakaian. Dan semakin luas rentang aplikasi, semakin tinggi kapasitas pasar, yang akan menarik investor baru dan mengurangi biaya listrik tenaga surya.