Revista >> Septembrie 2017 [Nr.197] >> Cover Story

În căutarea celulelor solare PERPHECTe, INCDFM edifică direcţia de cercetare a energiilor regenerabile

Alexandru Batali

27 Septembrie 2017

Un proiect recent-incheiat „Perovskiți pentru Tehnologii Eficiente de Conversie Fotovoltaică” (PERPHECT) a deschis pentru Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor (INCDFM) un nou front de cercetare şi de evoluţie, cel al energiilor regenerabile. Atingerea unor valori foarte ridicate, de 15,4% în ceea ce priveşte eficiența de conversie fotovoltaică, a permis Institutului să se plaseze în prima linie a cercetărilor internaţionale legate de dezvoltarea celulelor solare de tip perovskit, considerate a fi înlocuitoarele celulelor pe bază de Si. În acest context ştiinţific foarte stimulativ, o nouă energie a cuprins şi pune în mişcare oameni, grupuri de cercetare şi proiecte deosebite, animă pasiuni, idei şi noi idealuri. Resursele pentru a face performanță există, iar noi materiale avansate şi soluţii de a pune în valoare energiile regenerabile aşteaptă semnătura cercetătorilor INCDFM.

Începuturi
Proiectul PERPHECT este motorul acestei transformări a cărei istorie se întinde pe parcursul ultimilor trei ani. Progresul foarte rapid raportat în toamna lui 2013, referitor la eficiența celulele solare în care se folosesc compuşi halogenaţi cu structură perovskitică ca absorbant de fotoni, a determinat cercetătorii din cadrul INCDFM să depună un proiect pe această temă în cadrul programului de cercetare România-EEA.

Dr. Ioana Pintilie, directorul proiectului PERPHECT, îşi aminteşte primii paşi şi resorturile iniţiale: „La sfârşitul lui 2013, în Science, Nature şi în publicaţiile ştiinţifice majore au fost publicate pentru prima dată raportări de eficiență de conversie neaşteptat de mare (>10%) pe celule hibride cu componente organice şi anorganice. A fost un boom la acel moment şi ne-am dat seama de importanța domeniului. Am aplicat în consecinţă la granturile EEA din 2014. Deşi au fost depuse peste 400 de proiecte şi au fost finanţate doar 12, din care 3 pe energie, INCDFM a câştigat unul dintre ele. Captivaţi de domeniu am început să lucrăm chiar înainte de a câştiga proiectul. Ne dădeam seama că România în domeniul celulelor solare chiar trebuie să aibă o contribuţie importantă, în condiţiile în care avem cercetători foarte capabili, ce au capacitatea de a dezvolta cu succes un astfel de domeniu. În plus, utilizarea celulelor fotovoltaice pentru conversia energiei solare este de departe cea mai curată metodă de a produce energie electrică, iar exploatarea eficientă a energiei solare gratuite, minimizând costurile şi dezvoltând noi aplicaţii la scară largă, este un subiect de mare interes”.

În prezent, piaţa celulelor fotovoltaice este dominată de cele bazate pe Si cristalin (aproximativ 89% din piaţă) şi pe filme subţiri (aproximativ 11% din piaţă). Celulele solare hibride cum sunt cele pe bază de pigmenţi sensibili reprezintă acum un procent foarte mic din piaţă, din cauza eficienţei reduse. Una dintre provocările principale ale comunităţii de cercetare este dezvoltarea de materiale, dispozitive şi sisteme fotovoltaice integrate mai ieftine, care să fie capabile să transforme energia solară direct în electricitate.

În momentul de față panourile solare care se găsesc pe piaţă sunt pe bază de siliciu amorf şi dau o eficienţă sub 10%. Sunt însă scumpe prin raportare la puterea pe care o dau. În schimb, celulele solare pe bază de perovskiți hibrizi se pot obţine prin metode foarte ieftine, chiar şi la scară mare, fără a avea nevoie de echipamente scumpe în procesul de fabricare, şi oferă o eficienţă mult mai bună.

Acumulări, rezultate
„Există în schimb o problemă majoră pe care comunitatea de cercetare trebuie să o rezolve: stabilitatea acestui tip de celule în timp, odată ce intră în contact cu mediul natural. Perovskitul este un material sensibil, care nu se degradează în condiţii de mediu controlat. În acest tip de mediu, echipa proiectului PERPHECT a atins o eficienţă maximă de 15,4% şi în mod constant valori de 12-12,5%, valori ce sufera o degradare de sub 10% pe parcursul a 4-5 luni. Pe structura standard de perovskit pe care am făcut cercetările nu am găsit în literatura ştiinţifică o eficienţă mai crescută şi mai stabilă in timp şi nu cred că este greşit să afirmăm că am obţinut printre cele mai mari valori de eficienţă şi stabilitate la nivel internaţional. Cei care au obţinut valori mai mari decât ale noastre au modificat, au îmbunătăţit structura, introducând în compoziţie straturi suplimentare de materiale”, afirmă dr. Ioana Pintilie. „Am realizat totodată că această direcţie de cercetare poate aduce multe lucruri bune, pornind de la satisfacţia noastră ştiinţifică de a avea un cuvânt de spus într-un domeniu atât de fierbinte, unde se scriu zeci de mii de lucrări şi unde a devenit foarte greu să urmăreşti ce se publică zilnic. Acest context ne oferă motivaţia de a nu abandona domeniul, ci, dimpotrivă, de a ne afunda mai mult în descoperirea sa. Dintre cei mai dedicaţi şi entuziaşti membrii ai echipei INCDFM în proiectul PERPHECT aş dori să-i amintesc pe dr. Viorica Stancu, studenţii la doctorat Andrei Tomulescu şi Laura Stoflea, dr. Cristina Beşleagă Stan, dr. Liliana Trinca, dr. Aurelian Cătălin Gâlcă, dr. Neculai Plugaru şi, nu în ultimul rând, pe doamna Mihalcea Manda, proaspăt pensionată acum, ce ne-a susţinut şi ajutat în toate fazele şi încercările prin care am trecut”.

De la cercetarea fundamentală, grupul s-a extins şi către zona aplicativă prin ajutorul primit din partea Optoelectronica-2001 S.A., partener în proiect, care a realizat un aparat de imprimare-printare a celulelor solare, ce include 3 tehnici de printare şi care poate fi adaptat pentru producerea altor tipuri de materiale. Grosimea mininimă de strat care poate fi depusă cu un aparat comercial este de câţiva microni. Cel dezvoltat în cadrul proiectului este unicat, mergând sub 1 micron. Deşi a fost proiectat pentru 500 de nanometri, poate asigura o grosime a stratului de până la 700 de nanometri.

Suplimentar a fost achiziţionat un simulator solar performant, în valoare de 30000 de USD, poate cel mai bun din ţară la ora actuală, având o eroare foarte mică, de 5%, în stabilirea puterii pe suprafaţa iluminată de 5x5 cm2.
În ceea ce priveşte evoluţia echipei, pe domeniul celulelor solare cu perovskiţi lucrează în momentul de faţă in jur de 15 persoane în INCDFM. La începutul proiectului nu exista în grup nici un cercetător chimist cu experienţă, ci doar un cercetător postdoc, dr. Viorica Stancu, şi un student la master, Andrei Tomulescu, în prezent doctorand. Erau astfel prea mulţi fizicieni şi prea puţini chimişti. Acum există un grup multidisciplinar echilibrat ca structură şi sudat, care are şi avantajul tinereţii, media de vârstă fiind sub 40 de ani. Proiectul a fost şi o şcoală unde cercetătorii au învăţat pe parcurs ce experimentau, dobândind în timp noi competenţe şi a atras în ultimii 2 ani profesionişti valoroşi din afara institutului. Pentru a-şi creşte potenţialul aplicativ, Institutul a angajat anul trecut şi un inginer, dr. Viorel Dumitru, care a lucrat în mediul privat, la Honeywell, şi are rolul de a identifica potenţialului de piaţă al studiilor INCDFM şi de a ghida procesele de brevetare.
Miza majoră în cercetarea celulelor solare de tip perovskit rămâne rezolvarea problemei stabilităţii şi extinderea lor la nivel de panouri solare cu o eficienţă mai bună decât cele care au în componenţă siliciului amorf, dar la un preţ mult mai mic. Dacă vor fi identificate soluţiile, Institutul ia în calcul şi varianta de a face un spin-off, care să se ocupe de producerea unor astfel de panouri solare. Cert este că INCDFM a desfăşurat în ultimii ani o activitate de pionierat ştiinţific, în condiţiile în care în România nu mai există institute care realizeaza celule solare funcţionale cu performanţele de eficienţă atinse in cadrul proiectului PERPHECT.