Et team av forskere har vellykket testet moduler i perovskitt med sikte på å skape selvforsynte drivhus takket væresolenergi. Perovskite lar deg faktisk bygge semi-transparente solcellepanelermens det i tradisjonelle solceller brukes silisiumceller som produserer mye energi, men som er ugjennomsiktige, kan straffe veksten av avlinger.
Resultatene av dette eksperimentet er lovende og har fremhevet en raskere vekst for radicchio frøplanter: men som understreket av forfatterne selv, ble studien utført i liten skala i en periode på 15 dageruten å teste halvtransparente perovskittmoduler med stort område installert på operative drivhus. Også av denne grunn er det en «proof-of-concept”, som indikerer behovet for ytterligere studier før storskala søknad.
Vi intervjuet Dr. Carlo Spampinato – forsker ved National Research Council, Institute of Microsystems and Microelectronics of Catania – hovedforfatter av studien, for å fortelle oss hvordan eksperimentet ble utført og hva den mulige fremtidige utviklingen er.
Dr. Spampinato, hva er de tekniske egenskapene til perovskitt og hvorfor ble dette materialet brukt?
Forsøket viser at de semi-transparente perovskittmodulene slipper en kontrollert del av lyset igjennom lys og fremfor alt modifiserer de spekteret på en gunstig måte for radicchio: mindre blått og UV, mer rødt og infrarødt. Dette fører overraskende til frøplanter med flere blader, større blader og mer biomasse, samtidig som de får mindre lys totalt sett enn vanlig glass. Materialet som brukes er en fullstendig uorganisk perovskitt basert på cesium, bly og jod, med en liten tilsetning av europiumjodid: i kompakt form kan det angis som CsPbI3:EuI2.
Det aktive laget på «dekselet» til minidrivhuset har en tykkelse på omtrent 130 nm. Fra et optisk synspunkt, i det synlige (400–700 nm) er den gjennomsnittlige transmittansen ~32%: det betyr derfor at ca. 32 % av synlig lys passerer gjennom, mens resten absorberes for å lage elektrisitet. I langt rødt/infrarødt (700–1100 nm) stiger transmittansen til omtrent 70–80 %; i UV-båndet (360–400 nm) passerer bare ~15,8 % av lyset, resten er skjermet.
Ble forskjellige typer perovskitt testet under forsøket?
Ja, vi sammenligner ulike typer perovskitt for ha en «riktig blanding» mellom energiproduksjon og semi-transparens: den smaleste båndgap perovskitt (som bestemmer hvilke energiske partikler (fotoner) av sollys solcellen kan absorbere) – som FAPbI3 og MAPbI3 – de absorberer mer i det synlige, derfor er de mindre gjennomsiktige. De med større båndgap (som CsPbIBr2) er mer gjennomsiktige, men har lavere fotovoltaisk effektivitet.
Sammensetningen av CsPbI3 dopet med europium (Eu) er i midten: ganske absorberende for å garantere god solcelleeffektivitet i en semi-transparent konfigurasjon, men «åpen» nok i det synlige og nær infrarøde til å la nyttig lys passere til planter. Siden den er uorganisk, er den mer termisk stabil enn hybridperovskitter og europium bidrar til å redusere defekter og forbedre fasestabiliteten.
Hva kjennetegner dette eksperimentelle «drivhuset»?
I det eksperimentelle arbeidet er «drivhuset» laboratorieskala, ikke et kommersielt drivhus. I praksis er taket på mikrodrivhuset bygget opp av 4 lysbilder side ved sidehver måler 2,5 × 2,5 cm²: i ett tilfelle er de bare glass, i det andre er de belagt med perovskittlaget, slik at vi kan ha en sammenligning. Inne i hver boks det er 4 radicchio planterfor totalt 10 bokser (5 med glasstak, 5 med perovskitttak), gjentatt i flere eksperimentelle sykluser. Til slutt, over takene er det et 12 LED-tårn som simulerer solen, med en 16t/8t lys/mørke-syklus.
I denne eksperimentelle delen er det ikke en komplett solcellemodul (med kontakter, innkapsling, tilkobling til nettet), men det er bare perovskittfilmen som filtrerer lyset. For energiproduksjon ble det laget en simulering av et drivhustak dekket med ekte semi-transparente moduler basert på samme materiale: den simulerte fotovoltaiske effektiviteten til enheten er rundt 12,7 %, den estimerte årlige produksjonen er rundt 220–243 kWh per kvadratmeter tak, mens i løpet av de samme 15 dagene av frøplanteeksperimentet, ville det simulerte taket produsere rundt 16 kWh/m².
Dette er den første systematiske studien om bruk av perovskitt i agrovoltaikk: hva har du klart å demonstrere?
For første gang er det vist at en semi-transparent perovskitt samtidig kan forbedre den første veksten av radicchio og, i teorien, gjøre drivhuset energisk selvforsynt. Videre viser arbeidet at under et semi-transparent perovskitttak utviklet radicchio-frøplanter, til tross for at de mottok omtrent halvparten av den totale strålingen sammenlignet med glass, flere blader (3–4 mot 2) og med ~25 % større gjennomsnittsareal, og mer frisk og tørr biomasse.
Energisimuleringer indikerte at et ekte drivhustak dekket av disse modulene kunne dekke årlig energibehov til et drivhus intensiv for salat/radicchio (belysning, klimaanlegg, vanning).
Hva var vanskelighetene som ble møtt under forsøket, og hvilke problemer skulle løses?
Artikkelen fremhever noen kritiske problemer, først og fremst stabilitet: Perovskitter er følsomme for fuktighetvarme og lys. I laboratoriet ble taket holdt under en strøm av tørr nitrogen, men i et ekte drivhus ville det være behov for svært effektive innkapslinger.
For det andre er det det faktum at perovskite inneholder bly: dette krever oppmerksomhet på miljøpåvirkningen og utvikling av bly-«fangst»-strategier i tilfelle brudd. Eksperimentet er altså i liten skala, varer kun 15 dager og gjelder kun frøplantefasen: det er fortsatt ingen data om endelig avling, kommersiell kvalitet, innhold av metabolitt i den modne planten. Den «ekte» solcelledelen er bare simulert: halvtransparente perovskittmoduler med stort område installert på operative drivhus er ennå ikke testet i dette arbeidet.
På dette tidspunktet, hva er den neste utviklingen gitt de lovende resultatene?
I studien indikerte vi flere fremtidige retninger, inkludert:
- utvidelse til systemer i reell størrelsedvs. ekte drivhus med tak fullstendig dekket av semi-transparente perovskittmoduler, utsatt for virkelige atmosfæriske forhold;
- lengre studier over hele avlingssyklusen, å forstå om den første fordelen med frøplantene oversettes til mer utbytte eller bedre kvalitet på høsten;
- test komplette semi-transparente perovskite-modulerinnkapslet, på takene til ekte drivhus, derfor på større flater;
- verifiser oppførselen til modulene selv i innendørsmiljøer ved forskjellige lysnivåer: Vi har allerede vist at under hvite lysdioder med lav intensitet, kan disse enhetene nå effektiviteter på 21–22 % og gi strøm til for eksempel miljøsensorer for kontinuerlig overvåking.
