Olga Malinkiewicz i perowskity

W zeszłym tygodniu przez polskie media przewinął się temat sukcesu Olgi Malinkiewicz - polskiego naukowca zajmującego się badaniem nad ogniwami fotowoltaicznymi. Wszystko to za sprawą prezentacji pierwszej, eksperymentalnej jeszcze ładowarki do telefonów, która powstała w oparciu o ogniwa zbudowane na bazie perowskitów. Krótka wzmianka na ten temat pojawiła się także na dobreprogramy.pl w newsie - "Polska fizyk za pomocą perowskitów chce zmienić rynek ładowarek".

Mnie z kolei przypomniało się nagranie jakie podesłał mi ktoś znajomy niemal 2 lata temu, zawierające fragment wywiadu z Olgą Malinkiewicz będącą wówczas jeszcze na progu kariery, ale też nie będącą anonimowym naukowcem, albowiem wówczas została uhonorowana międzynarodowym wyróżnieniem Fotoniks 21. Przyznam się, że wówczas chciałem stworzyć odpowiedni wpis dotyczący perowskitów, ale temat trochę mnie przerósł. Dziś spróbuję zacząć jeszcze raz, z nieco innej perspektywy. Zanim jednak przejdziemy do badań Olgi Malinkiewicz, proponuję garść informacji na temat samych perowskitów.

Perowskity, co to jest ?

Na podstawie medialnego zachłyśnięcia się prezentacją pierwszej ładowarki na bazie perowskitów wiele osób może przypuszczać, że opracowano nowy, niesamowity materiał, który pchnie do przodu rozwój źródeł energii odnawialnej. Nic bardziej mylnego. Cała historia zaczęła się dużo, dużo wcześniej. W 1838 roku niemiecki mineralog Gustav Rose podczas prowadzonych na terenie gór Ural badań natrafił niewielką grudkę tytanianu wapnia i postanowił zbadać jej budowę i strukturę. Zbadaną przez siebie strukturę kryształów nazwał perowskitem, na cześć swojego przyjaciela - Lwa Perovskiego (właściwie Lev Aleksevich von Perovsky), który także był wybitnym mineralogiem. Tak więc sama nazwa perowskit nie odnosi się do konkretnego minerału czy substancji, ale do struktury kryształów podobnych do tej, jaką odkrył Gustav Rose w tytanianie wapnia.

Perowskity po ich odkryciu bynajmniej nie wzbudzały większego zainteresowania. Odkryto, że wiele materiałów znajdujących się w skorupie ziemskiej posiada strukturę właściwą dla perowskitów i można przyjąć, że perowskity są czymś naturalnym i dostępnym, choć stwierdzenie, że jest to struktura powszechnie występująca, byłoby sporym nadużyciem. Najczęściej występuje ona w skałach ultrazasadowych i zasadowych, występuje w USA, Kanadzie, Brazyli, Rosji, Szwajcarii, Austrii i Niemczech. W Polsce niewielkie ilości perowskitów pojawiają się na Dolnym Śląsku koło Niemczy. Jak widać z powyższego, pozyskiwanie perowskitów ze źródeł naturalnych choć możliwe, wcale nie jest takie proste i oczywiste. Na szczęście struktury takie można uzyskać przy niższych nakładach finansowych w laboratoriach, a ich produkcja przemysłowa także jest jak najbardziej możliwa i opłacalna.

Struktury krystaliczne zwane perowskitami stały się obiektem wielu badań prowadzonych przez uznane, światowe placówki naukowe i badawcze. Ich właściwości badano między innymi na Uniwersytecie Cambridge czy na Uniwersytecie Harvarda. W okresie dynamicznego rozwoju elektroniki, której efektem stał się rozwój maszyn cyfrowych i komputerów, badano możliwość zastosowania perowskitów w elektronice. Tutaj przodowała dobrze nam znana firma IBM, która prowadziła bardzo zaawansowane badania nad tranzystorami i diodami zbudowanymi w oparciu o perowskity. Ostatecznie perowskity przegrały z popularnym krzemem. Rzecz jasna nie tylko IBM prowadził tego typu prace nad perowskitami, jednakże jakoś nikt nie wpadł na to, by zbadać ich właściwości fotowoltaiczne.

Olga Malinkiewicz

Jak wyobrażamy sobie dziś naukowców czy badaczy ? Jak zamkniecie oczy i pomyślicie o naukowcu, poważnym naukowcu, to zazwyczaj obraz jaki się pojawia w naszej głowie to starszy pan (niestety najczęściej mężczyzna) w białym fartuchu, okularach z rozwianą, siwą fryzurą (ewentualnie łysy), oderwany od świata i skupiony nad swoim problemem.

Olga Malinkiewicz nie pasuje do tego stereotypu. To młoda i uśmiechnięta kobieta (aż chciałoby się napisać, dziewczyna), potrafiąca rozmawiać językiem prostym i zrozumiałym dla niemal każdego człowieka, ale zapewne bez trudu posługuje się językiem właściwym dla wybitnych naukowców. Podczas słuchania wywiadu, często się śmieje, jest skromna i czasem wpada w wyczuwalne zakłopotanie związane z tym, co się dzieje wokół jej osoby.

Jak sama stwierdziła, od samego początku bardzo interesowała się elektroniką z wykorzystaniem materiałów organicznych. Uwielbiała eksperymenty i w zasadzie większość swojego naukowego życia spędzała w laboratoriach badając, eksperymentując i szukając nowych rozwiązań i pomysłów. Co smutne w całej tej historii to fakt, że większość swych eksperymentów prowadziła na Politechnice w Barcelonie, gdyż Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego na którym uzyskała licencjat w 2005 roku, nie posiadał zaplecza badawczego. Do wyjazdu do Barcelony skusił ją profesor Politechniki Katalońskiej, przedstawiając jej możliwości laboratoriów jakie mieli do dyspozycji naukowcy w Barcelonie. Jeszcze w trakcie trwania studiów magisterskich, Olga Malinkiewicz podjęła współpracę w hiszpańskim instytucie ICFO, zajmującym się badaniami nad fotoniką, a po zakończeniu studiów na Politechnice, rozpoczęła także pracę na Uniwersytecie w Walencji.

W 2013 roku (trzy lata po uzyskaniu tytułu magistra) Olga Malinkiewicz uczestniczyła w pokazie ogniw fotowoltaicznych zbudowanych na bazie perowskitów i temat ten bardzo ją zafascynował. Ogniwa fotowoltaiczne jakie zaprezentowane, choć były interesujące, nie miały przed sobą świetlanej przyszłości ze względu na technologię ich produkcji.

Na warstwie tlenku tytanu umieszczano warstwę kryształów o strukturze perowskitów, a całość łączono w temperaturze 500 C. Tlenek tytanu był dosyć drogi, ale jeszcze droższym elementem ogniw była zewnętrzna warstwa specjalnych polimerów, nakładanych na warstwę perowskitów. Dość powiedzieć, że polimery te były średnio dziesięć razy droższe niż złoto czy platyna. Technologia wytwarzania takich ogniw uniemożliwiała wykorzystanie ich w połączeniu z plastikiem czy innymi materiałami jakie w temperaturze 500 C zwyczajnie by się stopiły lub spaliły. Barierą nie do przeskoczenia był koszt wytworzenia ogniw na bazie perowskitów, zważywszy na fakt, że tradycyjne ogniwa krzemowe były dużo tańsze i bardziej wydajne. Wydajność ogniw na bazie perowskitów wynosiła wówczas około 9%, natomiast wydajność ogniw krzemowych wahała się pomiędzy 17% a 20%.

Olga Malinkiewicz rozpoczęła swoje eksperymenty nad ogniwami zbudowanymi w oparciu o perowskity, pragnąć wyeliminować drogie i kłopotliwe elementy w postaci warstwy tlenku tytanu i drogiego polimeru. Równocześnie prowadziła badania nad podwyższeniem wydajności takich ogniw, co było niezbędnym elementem by stały się one w przyszłości popularne.

Eksperymenty Olgi Malinkiewicz trwały blisko rok i zakończyły się prawdziwym sukcesem. Już w 2014 roku (cztery lata po zakończeniu studiów) mogła zaprezentować imponujący wynik swoich badań. Pierwszym sukcesem było wyeliminowanie z technologii produkcji ogniw tlenku tytanu i polimerów. Naszej bohaterce udało się doprowadzić do takiej sytuacji, gdy warstwa perowskitów układana jest na dowolnym materiale w temperaturze wynoszącej zaledwie 30 C. W praktyce, jak stwierdziła sama Olga Malinkiewicz, możliwym będzie tworzenie ogniw na materiałach tekstylnych, foli, a nawet na kartce papieru. Zresztą jak sama stwierdziła w wywiadzie, ogniwo na kartce papieru jest jej marzeniem, które miejmy nadzieję kiedyś zaprezentuje. Co ważne, udało jej się też doprowadzić do takiej sytuacji, gdy pojedyncza warstwa perowskitów może mieć grubość 300 nanometrów. Tym samym waga ogniw powstałych na bazie perowskitów będzie zbliżona do masy materiału, na jakim je umieszczamy. Porównując duże i ciężkie ogniwa krzemowe jakie obecnie widujemy w postaci ciemnych i dużych paneli na dachach, efekt jest niesamowity. Olga Malinkiewicz stwierdziła, że w przyszłości możliwym będzie produkcja samoprzylepnej foli, będącej w rzeczywistości ogniwem fotowoltaicznym, którą to folię każdy będzie mógł przykleić zgodnie ze swoimi potrzebami. Rolka baterii słonecznych ? To będzie możliwe. Jakby tego było mało, bardzo uproszczono technologię produkcji podstawowych perowskitów i produkcji ogniw. Jak w wywiadzie stwierdziła Olga Malinkiewicz, już dziś mogłaby budować takie ogniwo w swojej kuchni, choć byłoby ono dalekie od doskonałości. Mimo wszystko jest to bardzo czytelny obraz tego, jak technologia została uproszczona.

We wprowadzeniu każdego produktu na rynek, niezwykle istotnym jest jego cena. Cena końcowa jest też ściśle powiązana z wydajnością. Jak wspominałem, początkowa wydajność ogniw fotowoltaicznych zbudowanych w oparciu o perowskity wynosiła skromne 9%. Kolejnym sukcesem Olgi Malinkiewicz było podniesienie wydajności do 20%, a więc jest to już wydajność na poziomie obecnie najpopularniejszych ogniw krzemowych. Wydawać by się mogło, że ów wzrost o 11% nie jest imponujący, ale gdy powiedzieć, że w historii badań nad ogniwami fotowoltaicznymi nikt nie osiągnął takiego wzrostu w przeciągu jednego roku, wynik ten staje się naprawdę imponujący. Jak wynika z obliczeń jakie wykonała pani Olga, górną granicą efektywności ogniw zbudowanych na perowskitach (arsenek galu) jest około 30%, a jest to wynik niemożliwy do osiągnięcia przez obecnie produkowane ogniwa krzemowe. Wydaje się to niezbyt wiele, jednak wzorcowe ogniwo zbudowane właśnie na arsenku galu, w warunkach laboratoryjnych osiągnęło wydajność 44% i choć nie da się go eksploatować poza laboratorium, wskazuje na to, że owo założone przez panią Olgę 30% to tylko szacunkowe kalkulacje ograniczone ekonomią i obecnymi uwarunkowaniami technologicznymi.

Rzecz jasna, samo opracowanie jakichkolwiek ogniw czy źródeł energii nie sprawi, że z dnia na dzień staną się one popularne. Choć na świecie ogniwa fotowoltaiczne są znane od lat, ciągle daleko im do powszechności i bardzo powoli wkraczają one do naszego codziennego życia. Wiąże się to nie tylko z teoriami spiskowymi na temat dławiących postęp karteli benzynowych, gazowych itd. ale też ze względu, na stosunek wydajności do ceny. Obrazowo mówiąc (ów obraz nakreśliła nasza bohaterka) przelicza się ile kosztuje wytworzenie 1W, a tu znajdziemy odpowiedź, dlaczego silniki benzynowe nie trafiły jeszcze na złomowisko historii. Szacunkowo mówiąc (bo cena jest zmienna), koszt wytworzenia 1W przez silnik benzynowy to około 0,5 USD. Koszt wytworzenia 1W energii przez starsze ogniwa fotowoltaiczne wynosił nawet ponad 1 USD. Rosnąca popularność ogniw krzemowych jaką ostatnio obserwujemy, jest wynikiem dużo niższej ceny uzyskania 1W, gdyż cena ta zbliżyła się do owych 0,5 USD co sprawia, że technologia ta staje się bardziej konkurencyjna dla tradycyjnych silników spalinowych. A jak wypadają tu ogniwa na bazie perowskitów ? Koszt wytworzenia 1W energii przez ogniwa na bazie perowskitów wynoszą już poniżej 0,5 USD. Dlaczego więc ciągle nie mamy dostępu do perowskitowych ogniw ? Czemu pieniądze na badania i produkcje nie popłynęły szerokim strumieniem ?

Od razu uspokajam, nie jest to efekt światowego spisku producentów ropy naftowej, a zwykłych problemów związanych z wdrożeniem ogniw do produkcji. Jak stwierdziła Olga Malinkiewicz, nie jest ona typem biznesmena i najlepiej czuje się w laboratorium. Z uwagi na powyższe, postanowiła ona założyć firmę - Saule Technologies i stronę biznesową powierzyć ludziom, którzy na biznesie się znają. Jak wynika z jej wypowiedzi, już na samym początku Saule Technologies otrzymało wiele ofert współpracy od wielu niewymienionych z nazw firm, będących światowymi liderami w zakresie energii odnawialnych i elektroniki.

Zespół Saule Technologies ma wiele pracy w zakresie ochrony własności intelektualnej związanej z budową ogniw fotowoltaicznych na bazie perowskitów. Zaraz po rejestracji firmy, dokonano już trzech rejestracji patentowych i co ważne, są to rejestracje ogólnoświatowe. Przełomowe badania Olgi Malinkiewicz stały się poważnym impulsem do rozpoczęcia analogicznych prac przez inne firmy, często dysponujące nieporównywalnie większym potencjałem badawczym. W wywiadzie Olga Malinkiewicz stwierdziła, że polityka patentowa jest dla niej niesłychanie ważna, bo wie że wiele ośrodków badawczych rozpoczęło prace nad perowskitami, jednak cieszy się ona z konkurencji bo dla niej jest to także dodatkowy impuls do dalszych badań.

Choć oficjalnie nic nie wiadomo by Saule Technologies nawiązała współpracę z jakąkolwiek firmą z zagranicy, ciągle jest ona obiektem wzmożonego zainteresowania światowych koncernów. Jak na razie nawiązano współpracę z japońskim inwestorem Hideo Sawadą będącym zrazem jednym z najbardziej znanych, japońskich biznesmenów inwestujących w ciekawe projekty związane z technologiami energii odnawialnych.

Umowa z inwestorem została podpisana we wrześniu 2015 roku, a już w grudniu 2015 roku otwarto biuro Saule w Japonii. Podczas kilkukrotnych wizyt przedstawicieli Saule Technologies w Japonii, doszło do spotkań z przedstawicielami firm japońskich, amerykańskich i koreańskich.

Saule Technologies nawiązało także współpracę z Ministerstwem Obrony Narodowej w zakresie możliwości zastosowania ogniw na potrzeby obronności państwa.

Wykorzystanie

Prezentacja ładowarki do telefonu jakiej dokonano w na początku marca jest imponująca. Tak naprawdę ładowarka to kawałek elastycznej folii z dołączonym doń kabelkiem. Bazując na wypowiedziach Olgi Malinkiewicz stwierdzam, że to dopiero początek tego, co mam nadzieję, nas czeka.

Cieniutka warstwa perowskitów może być kładziona nawet na cienkiej folii, którą będziemy mogli samodzielnie oklejać ściany budynków, na dachy lub inne powierzchnie. Mało tego. Możliwym jest drukowanie warstwy fotowoltaicznej na foli w rozmaite wzory i napisy. Prosta będzie też wymiana takich ogniw. Warstwę perowskitów, a raczej ogniwo, będzie można umieścić na obudowie rozmaitych urządzeń elektronicznych, takich jak np. telefony komórkowe, które w erze smartfonów zaczynają przeżywać swoisty "kryzys energetyczny". Nic nie stoi na przeszkodzie, by takie folie umieszczać także na pojazdach. Zaletą ogniw na bazie perowskitów jest możliwość ich adaptacji do otoczenia w jakich zostaną umieszczone. Obecne panele fotowoltaiczne są ciemne i choć wyglądają nowocześnie na domu z czerwoną dachówką, w rzeczywistości zaburzają stronę wizualną wymarzonego domu. perowskity można umieścić na folii, której kolor zostanie dobrany tak, aby był dokładnie taki sam, jak kolor podłoża na jakim folia zostanie umieszczona. Pomimo zastosowania folii różnych kolorów, ogniwa zachowują taką samą wydajność.

Bardzo interesująco zapowiada się też możliwość stworzenia odzieży posiadającej warstwę fotowoltaiczną. Dzięki nowatorskiej technologii nakładania perowskitów, możliwym stałoby się ładowanie telefonu z gniazdka w kurtce. Oczywiście problemem jest konieczność prania takiej odzieży, ale czy plecak z warstwą fotowoltaiczną nie byłby idealny na długie, górskie wycieczki ?

Problemy

Przytoczone powyżej możliwości wykorzystania ogniw perowskitowych są jak najbardziej realne, choć na ich realizację przyjdzie nam z pewnością jeszcze trochę poczekać, patrząc na tempo jakie osiągnęła pani Olga podejrzewam, że znacznie krócej niż mi się wydawało w 2014 roku.

Sporym problemem, przynajmniej w Polsce, jest wprowadzenie takiej energii do obiegu. O ile w przypadku rozmaitych ładowarek do urządzeń elektronicznych czy też urządzeń z wbudowanymi ogniwami nie ma problemów, problemem jest dom z ogniwami częściowo uniezależniającymi jego gospodarza od zewnętrznych dostawców energii. Częściowo, bo choć będzie on zdecydowanie bardziej samowystarczalny niż obecne domy z dużymi ogniwami krzemowymi, nie da się uniknąć sytuacji, gdy ten wytworzony prąd trzeba będzie wprowadzić do sieci i gdy z tej sieci prąd trzeba będzie pobrać. Są to problemy nie tylko na poziomie infrastruktury, ale jeśli chodzi o Polskę, także na poziomie regulacji prawnych, a te wcale nie łatwo będzie dopasować do nowych technologii, w tym także tych, z oferty Saule Technologies. Wystarczy spróbować zapoznać się z problemami prywatnych posiadaczy elektrowni wiatrowych. Droga do produkcji energii elektrycznej nawet na własne potrzeby jest długa i wyboista.

Ciężkim do rozwiązania jest problem magazynowania takiej ilości energii elektrycznej. Prąd potrzebny nam jest przez całą dobę, choć z punktu widzenia przeciętnego Kowalskiego, najwięcej prądu zużywa on rano, przed wyjściem do pracy i wieczorem, czy po południu, po powrocie z pracy. Niestety, momenty największego zapotrzebowania na energię elektryczną nie przypadają (przynajmniej u nas) na momenty największego natężenia światła słonecznego. Spotkałem się kiedyś z pomysłem ciekawym, ale obecnie zupełnie nierealnym, by opasać ziemię pasem baterii słonecznych wzdłuż równika, wychodząc z założenia, że słońce zawsze gdzieś świeci. Idea piękna i słuszna, choć nierealna. Z wypowiedzi Olgi Malinkiewicz wynika, że i ona upatruje rozwiązania tego problemu za pomocą współpracy pomiędzy różnymi producentami energii rozrzuconymi na świecie i w zależności od potrzeb przesyłających pomiędzy sobą uzyskaną energię. I tak pan Kowlaski będąc w pracy produkowałby energię dla pana Browna, który oglądałby TV w swoim mieszkaniu w Santa Barbara na drugiej półkuli.

Teoretycznie i praktycznie technologie nad którymi pracuje Saule Technologies ułatwiają instalacje ogniw w wielu, dotychczas niedostępnych dla paneli słonecznych miejscach. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby całe powierzchnie budynków pokryte były takimi ogniami. Produkcja energii elektrycznej wówczas byłaby nieporównywanie większa niż możliwości obecnych paneli i naturalną koleją rzeczy powinien być fakt, że nadwyżki tej energii przesyłane są odbiorcom nie mogącym w danym momencie produkować prądu. Teoretycznie, bo przeszkodą są tu przepisy i zmienna sytuacja geopolityczna.

Poza problemami globalnymi, których rozwiązanie nie leży w gestii Olgii Malinkiewicz, ma ona jeszcze kilka problemów nad którymi pracuje choć część, patrząc po prezentacji ładowarki, została już rozwiązana. Jak wynikało z wypowiedzi pani Olgi, ciągle pracuje ona nad nakładaniem warstwy perowskitów na wielkie powierzchnie oraz nad ogniwami wielowarstwowymi. Być może i te problemy zostały już rozwiązane.

Historia polskiej wynalazczości obfituje w dzieła przełomowe, choć ze smutkiem należy stwierdzić, że wiele projektów nie zostało doprowadzonych do końca jak należy i świetne pomysły Polaków stały się "łupem" innych. Wystarczy tu wspomnieć o wycieraczkach samochodowych, kamizelkach kuloodpornych i wielu innych pomysłach o których nawet dziś nie pamiętamy, że zrodziły się w głowach naszych rodaków. Co gorsze, sytuacja ta niewiele się zmieniła. Po przełomowym, niebieskim laserze który miał być "skarbem Polaków" był rewolucyjny grafen, który miał przynieść Polsce dumę i chwałę na wieki wieków... Jak jest, każdy wie lub bez trudu sobie sprawdzi. Ile polskich firm produkuje Grafen ? Gdzie jest produkcja niebieskich laserów ?

Mam nadzieję, że Olga Malinkiewicz złamie tą złą, polską tradycję i doprowadzi sprawę swoich ogniw do oczekiwanego sukcesu. Wierzę że jej się uda, bo chyba sama bardzo tego pragnie decydując się na powrót ze słonecznej Katalonii nad Wisłę. Mam nadzieję, bo widzę, że ta radosna osoba bardzo rozsądnie podchodzi do tematu, oddając ekonomistom to co należy do ekonomistów, a naukowcom i badaczom kwestie naukowe, sama zajmując miejsce zgodne z jej wiedzą i nie ukrywajmy.... talentem, w swoim ukochanym laboratorium.