Η εγκατεστημένη ηλιακή ισχύς διπλασιάζεται περίπου κάθε δύο χρόνια, καθώς οι ηλιακές κυψέλες με βάση το πυρίτιο που χρησιμοποιούνται στα πάνελ γίνονται φθηνότερες, με έντονο ανταγωνισμό μεταξύ των εταιρειών στην Κίνα, οι οποίες με την κρατική υποστήριξη έχουν κυριαρχήσει στον κλάδο. Ταυτόχρονα, οι ερευνητές έχουν βρει τρόπους να κάνουν τις κυψέλες να απορροφούν καλύτερα την ενέργεια του ηλιακού φωτός. Τα σύγχρονα ηλιακά πάνελ λειτουργούν με βαθμό απόδοσης 22%-24% -μια τεράστια αύξηση σε σχέση με το 6%, όταν εφευρέθηκαν οι πρώτες πρακτικές ηλιακές κυψέλες τη δεκαετία του 1950 στα εργαστήρια Bell Labs στο New Jersey. Επιπλέον, τότε ήταν τόσο ακριβές, που τροφοδοτούσαν κυρίως δορυφόρους.

Ωστόσο, οι περισσότερες διαδικασίες έχουν συγκεκριμένα όρια. Η μέγιστη θεωρητική απόδοση μιας ηλιακής κυψέλης πυριτίου -η ποσότητα ενέργειας του ηλιακού φωτός που μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια- είναι περίπου 29%. Η υπόλοιπη ηλιακή ενέργεια χάνεται ως θερμότητα. Αυτό το θεωρητικό μέγιστο είναι εφικτό μόνο σε εργαστηριακές συνθήκες. Επιπλέον, όταν οι κυψέλες συγκεντρώνονται μαζί σε ηλιακά πάνελ, η συνολική απόδοση του πάνελ είναι απίθανο να ξεπεράσει το 26%. Αυτό οφείλεται εν μέρει στο γεγονός ότι οι χώροι μεταξύ των κυψελών και άλλων τμημάτων του πάνελ, όπως το πλαίσιο, δεν συμβάλλουν στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Υπάρχουν επίσης αναπόφευκτες απώλειες ενέργειας στα καλώδια που συνδέουν τις κυψέλες.

Το μέλλον της ηλιακής ενέργειας, ωστόσο, θα μπορούσε να βρίσκεται σε έναν νέο, αποδοτικότερο τύπο ηλιακών κυψελών, που μόλις μπήκε στην παραγωγή. Κατασκευασμένες με μια οικογένεια κρυσταλλικών υλικών που ονομάζονται περοβσκίτες, είναι ικανές να παρέχουν πάνελ με πρακτικά ποσοστά απόδοσης πολύ πάνω από 30%.

Οι παραδοσιακές ηλιακές κυψέλες περιέχουν συνήθως δύο στρώματα υπερκαθαρού πυριτίου, τα οποία ενισχύονται με ένα πρόσθετο που τα καθιστά ημιαγώγιμα (δηλαδή, αποκτούν την ικανότητα να λειτουργούν είτε ως αγωγός είτε ως μονωτής). Καθώς απορροφούν φως, τα ηλεκτρόνια λαμβάνουν αρκετή ενέργεια για να μεταπηδήσουν στη σύνδεση μεταξύ των στρωμάτων, παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα. Αν και άλλοι ημιαγωγοί μπορούν να κάνουν το ίδιο, κανένας δεν ανταγωνίζεται την οικονομική προσιτότητα του πυριτίου, το οποίο παράγεται φτηνά από άμμο.

Ο αυθεντικός περοβσκίτης είναι ένα ορυκτό που ονομάζεται οξείδιο του τιτανίου και του ασβεστίου. Ανακαλύφθηκε το 1839 και πήρε το όνομά του από τον κόμη Lev Perovski, έναν Ρώσο ορυκτολόγο. Το όνομα έχει γίνει έκτοτε γενικός όρος για ουσίες με παρόμοια κρυσταλλική δομή. Ένα από τα πράγματα που κάνουν τους περοβσκίτες τόσο ελκυστικούς για τους ερευνητές ως εναλλακτική λύση στο πυρίτιο είναι ότι, εκτός από το ότι είναι αποτελεσματικοί στην απορρόφηση της ενέργειας του ηλιακού φωτός, μπορούν να κατασκευαστούν φθηνά από εύκολα προσιτά υλικά, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων μετάλλων και αλογόνων, όπως το χλώριο, το βρώμιο και το ιώδιο.

Παρ’ όλο που οι υπερδυνάμεις τους στην απορρόφηση του φωτός είναι γνωστές εδώ και αρκετό καιρό, ήταν δύσκολο να αξιοποιηθούν, κυρίως επειδή οι περοβσκίτες αποικοδομούνται γρήγορα και είναι ευαίσθητοι στην υγρασία. Έτσι, οι ερευνητές αναζητούν τρόπους για να τους κάνουν πιο σταθερούς και να προσαρμόσουν τη διαδικασία κατασκευής, ώστε να προστατεύουν τις κυψέλες από τα στοιχεία της φύσης.

Ηγέτιδα στην ανάπτυξη πάνελ περοβσκίτη είναι η Oxford PV, μια βρετανική εταιρεία που εδρεύει κοντά στο ομώνυμο πανεπιστήμιο, απ’ όπου ξεκίνησαν οι ερευνητικές της δραστηριότητες. Η εταιρεία έχει αναπτύξει τις λεγόμενες δίδυμες κυψέλες (tandem cells), οι  οποίες αποτελούνται από ένα λεπτό στρώμα περοβσκίτη που τοποθετείται πάνω σε ένα παραδοσιακό στρώμα πυριτίου. Η ιδέα είναι ότι, συνδυαστικά, τα δύο υλικά μπορούν να εξάγουν μεγαλύτερη ποσότητα ενέργειας από το ηλιακό φως απ’ ό,τι το καθένα μόνο του. Για να γίνει αυτό, όπως εξηγεί ο Chris Case, επικεφαλής τεχνολογίας της εταιρείας, το στρώμα περοβσκίτη που βρίσκεται από πάνω προσαρμόζεται ώστε να απορροφά φως από το μπλε άκρο του φάσματος, ενώ το στρώμα πυριτίου που βρίσκεται από κάτω απορροφά τα μήκη κύματος στο κόκκινο άκρο.

Η εταιρεία άνοιξε ένα εργοστάσιο στη Γερμανία, το οποίο μόλις άρχισε να προμηθεύει τα πρώτα εμπορικά ηλιακά πάνελ με δίδυμες κυψέλες στον πρώτο της πελάτη, μια μη κατονομαζόμενη εταιρεία κοινής ωφέλειας στις Ηνωμένες Πολιτείες. Τα πάνελ εγκαθίστανται, μαζί με συμβατικές μονάδες πυριτίου, σε ένα νέο ηλιακό πάρκο που συνδέεται με το δίκτυο. Πρόκειται για την πρώτη μεγάλη δοκιμή σε αυτήν την κλίμακα για τους περοβσκίτες, όχι μόνο σε σχέση με την αποδοτικότητα, αλλά και την ανθεκτικότητα και τη μακροζωία τους. Καθώς τα πάνελ πυριτίου αναμένεται να συνεχίσουν να λειτουργούν για 20-25 χρόνια, οι περοβσκίτες πρέπει να επιδείξουν παρόμοια διάρκεια ζωής.

Τα πρώτα αυτά πάνελ έχουν μέση απόδοση 24,5%, προσθέτει ο δρ Case. Μια νέα γενιά που βρίσκεται υπό ανάπτυξη έχει φτάσει το 26,9%, ενώ το ποσοστό αναμένεται να αυξηθεί σε πολύ πάνω από 30% καθώς η έρευνα συνεχίζεται. Το θεωρητικό όριο απόδοσης μιας δίδυμης κυψέλης περοβσκίτη στο εργαστήριο είναι περίπου 43% (σε σύγκριση με το 29% για το πυρίτιο), αν και αυτό είναι μάλλον απίθανο να επιτευχθεί όταν ενσωματωθεί σε κάποιο πάνελ.

Οι δίδυμες κυψέλες θα κοστίζουν αρχικά λίγο περισσότερο, αν και οι εμπορικές τιμές δεν έχουν κοινοποιηθεί. Ωστόσο, με την αύξηση του όγκου της παραγωγής οι οικονομίες κλίμακας θα μειώσουν το κόστος. Η ικανότητα να αποδίδουν περισσότερη ισχύ από τα παραδοσιακά πάνελ πυριτίου σημαίνει ότι μια εγκατάσταση με δίδυμες κυψέλες ως επένδυση θα αρχίσει να αποδίδει πολύ νωρίτερα απ’ ό,τι τα πάνελ πυριτίου μόνα τους, λέει ο David Ward, διευθύνων σύμβουλος της Oxford PV.

Κι άλλες εταιρείες βρίσκονται κοντά στην εμπορική διάθεση των δικών τους εκδόσεων ηλιακών πάνελ περοβσκίτη-σε-πυρίτιο. Η Hanwha, ένας μεγάλος νοτιοκορεατικός βιομηχανικός όμιλος, έχει επενδύσει 137 δισ. γουόν (102 εκατ. δολάρια) σε ένα εργοστάσιο για την κατασκευή δίδυμων κυψελών για τη σειρά ηλιακών πάνελ QCells. Σε εργαστηριακή κλίμακα, η εταιρεία λέει ότι οι μεμονωμένες κυψέλες έχουν επιτύχει μέγιστη απόδοση 29,3%, γεγονός που θα επιτρέψει στα νέα πάνελ της να είναι σημαντικά καλύτερα στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Δεν αποτελεί έκπληξη ότι οι Κινέζοι προμηθευτές επίσης ασχολούνται με την εξερεύνηση των περοβσκιτών. Το τρέχον παγκόσμιο ρεκόρ μιας εργαστηριακής δίδυμης κυψέλης περοβσκίτη είναι 34,6%. Αυτό τουλάχιστον ισχυρίστηκε τον Ιούνιο η LONGi Green Energy Technology, μια μεγάλη κινεζική κατασκευάστρια ηλιακών πάνελ. Ξεκίνησε να εργάζεται σε διαδικασίες μαζικής παραγωγής κυψελών τον Οκτώβριο του 2023. Η εταιρεία λέει ότι έχει επίσης πετύχει επίπεδο 30,1% από ένα πρωτότυπο πάνελ εμπορικού μεγέθους. Η LONGi δεν έχει ακόμη ανακοινώσει πότε θα ξεκινήσει την παραγωγή.

Εφόσον αποδείξουν την αξία τους στην πράξη, οι δίδυμες κυψέλες περοβσκίτη παρέχουν ιδιαίτερα ενθαρρυντικά νέα για την ηλιακή ενέργεια. Εάν τα καταφέρουν, είναι βέβαιο ότι κι άλλες κινεζικές εταιρείες θα αναπτύξουν την τεχνολογία σε μεγάλο βαθμό, εξαπολύοντας έναν ακόμα γύρο εκθετικής αύξησης της ηλιακής ισχύος, που θα τροφοδοτείται σε μεγάλο βαθμό από τη δυνατότητα πολύ μεγαλύτερης αξιοποίησης της ηλιοφάνειας. Οι εταιρείες αναπτύσσουν κι άλλα υλικά για την κατασκευή ηλιακών κυψελών, αν και ορισμένα, όπως το αρσενίδιο του γαλλίου, είναι ακριβά και περιορίζονται στη χρήση τους σε εξειδικευμένες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της αεροδιαστημικής. Προς το παρόν οι περοβσκίτες φαίνεται να είναι αυτοί που έχουν σειρά να απλωθούν κάτω απ’ τον ήλιο.

Πηγή: The Economist