Солнечная энергия 3.0: все о новой технологии, которая изменит будущее зеленой энергетики

Разработанные Цутому Миясако в ​​2009 году, перовскитные солнечные элементы стали прорывом в сфере зеленой энергетики и многообещающей альтернативой традиционным солнечным технологиям. Самые передовые лаборатории мира экспериментируют с этими фотоэлементами следующего поколения, способными поглощать более широкий спектр солнечного света. Фокус объясняет, почему перовскит сможет заменить кремний, и когда это произойдет.

В отличие от энергоемкого и дорогостоящего производства, связанного с солнечными панелями из кристаллического кремния (c-Si), перовскитные элементы используют металлогалогенидные перовскиты. Эти материалы упрощают производственные процессы и делают их более дешевыми, а также стимулируют исследования, направленные на повышение эффективности, долговечности и коммерческой жизнеспособности. С потенциальной эффективностью, которая выросла с 4% до более 30%, перовскитные панели могут существенно повлиять на будущее возобновляемой энергетики, сообщает interestingengineering.com.

Состав и функциональность перовскитных элементов

Перовскиты — это универсальные материалы, известные своей исключительной композиционной гибкостью, что делает их пригодными для различных высокотехнологичных применений. То есть, их можно использовать для производства чипов памяти и ультразвуковых машин. Перовскитные материалы, такие как метиламмоний-свинцовый галогенид и полностью неорганический цезий-свинцовый галогенид, особенно привлекательны из-за своей экономической эффективности. Возможность печати этими материалами при низких температурах позволяет производить более легкие и тонкие солнечные модули.

Такие устройства, как тандемные солнечные элементы, улучшают технологию, объединяя сильные стороны перовскита и кристаллического кремния, захватывая более широкий спектр солнечного света и значительно увеличивая КПД. Тандемные панели можно встраивать в здания, оснащая ими окна и стены, а также создавать самозаряжающиеся блоки питания и даже текстиль.

Перовскитные солнечные элементы работают по принципу, при котором солнечный свет взаимодействует с тонким слоем гибридного материала на основе свинца или олова. Это взаимодействие генерирует пары электрон-дырка. Электроны движутся к слою переноса электронов (ETL), а дырки к слою переноса дырок (HTL), создавая электрический ток. Одна из проблем в максимизации эффективности этих элементов заключается в препятствовании случаям, когда электроны преждевременно соединяются с дырками, снижая выходную мощность.

Около 90% солнечных панелей используют кремниевые полупроводники, которые нельзя обрабатывать в растворе без риска дефектов, ухудшающих функциональность. А вот перовскитные полупроводники, напротив, обладают высокой отказоустойчивостью и могут быть переработаны в полупроводниковые чернила, что делает их пригодными для создания легких и гибких солнечных элементов.

Такая адаптивность идеально подходит для мобильных приложений, таких как беспилотники и крыши автомобилей. Однако в то время как кремниевые солнечные элементы надежны, имеют срок службы 25–30 лет и минимальную деградацию (около 0,8% в год), перовскитные солнечные батареи сталкиваются с проблемами долгосрочной эффективности и выходной мощности.

Почему перовскитные солнечные панели пока не популярны

Несмотря на многообещающие характеристики, перовскитные солнечные панели имеют ряд значительных проблем, которые препятствуют их коммерческой жизнеспособности и широкому внедрению на рынке по сравнению с традиционной фотоэлектрической технологией. Долговечность является основной проблемой, поскольку устройства обычно имеют срок службы всего 2,5 года из-за отсутствия стабильности в реальных условиях. Эта деградация в первую очередь обусловлена ​​такими факторами окружающей среды, как влажность и воздействие УФ-излучения. Исследователи изучают различные стратегии повышения стабильности и продления срока службы перовскитных элементов с помощью передовых методов инкапсуляции и инноваций в материалах.

Хотя в контролируемых условиях они впечатляют своим КПД от 24% до 30%, пишет Advanced Materials, но эффективность все еще требует улучшения в реальных приложениях. Производственный процесс также сталкивается с препятствиями — большинство лабораторных методов производства панелей нелегко сделать массовыми.

Воздействие на окружающую среду является еще одной значительной проблемой. Во многих перовскитных материалах используется свинец, что вызывает опасения по поводу токсичности и экологической безопасности. Усилия по устранению или безопасной инкапсуляции токсичных материалов имеют решающее значение для продвижения перовскитных устройств к более широкому коммерческому использованию.

Достижения в сфере разработки перовскита

Университет науки и технологий короля Абдаллы (KAUST) и Центр Гельмгольца в Берлине (HZB) достигли эффективности преобразования энергии перовскитных солнечных элементов с покрытием из лезвий 31,2%, сообщает pv-magazine-india.com. Институт передовых технологий (ATI) Университета Суррея продлил срок службы этих элементов на 66%, решив одну из ключевых проблем в их коммерческом применении. Кроме того, ученые из Индии разработали высокостабильные перовскитные элементы с превосходной термо- и влагостойкостью. Городской университет Гонконга (CityUHK) продемонстрировал ячейки с эффективностью 25% и высокой стабильностью, сохраняя производительность 95% после 2000 часов работы. Эти достижения являются частью международных усилий по усовершенствованию технологии перовскитных солнечных батарей.

GCL Group Holdings, крупный китайский производитель солнечных панелей, начал строительство крупнейшего в мире завода по производству перовскитных солнечных элементов в Сучжоу. Swift Solar планирует построить завод в США в течение 2-3 лет для производства тонкопленочных солнечных элементов с использованием тандемных фотоэлектрических систем на основе перовскита. Аналогичным образом компании из Великобритании и Австралии уже коммерциализировали эту технологию. Кроме того, Министерство экономики, торговли и промышленности Японии (METI) объявило о планах по развертыванию 20 ГВт технологии перовскитных солнечных батарей к 2040 году, что свидетельствует о мощной государственной поддержке и инвестициях в солнечную энергетику.

Данная инновационная технология не только сокращает использование земли и снижает стоимость электроэнергии за счет генерации большего количества энергии на единицу площади, чем традиционные панели, но и демонстрирует прорывы в эффективности, достигая более 30% в лабораторных условиях. Перовскитные фотоэлементы способны произвести революцию в возобновляемой энергетике благодаря своей эффективности, экономичности и универсальности. Они могут бросить вызов доминированию кремния и стимулировать будущее расширение мощностей солнечной энергетики.

Итоги

Преимущества перовскитных солнечных элементов

• КПД перовскитных батарей находится на уровне 30%, что превосходит максимум традиционных кремниевых батарей — 25%.
• Перовскитные панели изготавливаться при комнатной температуре с использованием простых методов печати или нанесения покрытия, что снижает производственные затраты.
• Их тонкая и легкая конструкция делает их подходящими для различных применений, включая портативные устройства и интегрированные строительные материалы.
• Сохраняют более высокую эффективность при высоких температурах, идеально подходят для жаркого климата, где традиционные панели работают плохо.
• Такие инновации, как тандемные конструкции из перовскита и кремния, повышают выработку энергии, одновременно снижая использование материалов, способствуя достижению глобальных целей устойчивого развития.

Недостатки перовскитных солнечных элементов

• Чувствительны к факторам окружающей среды, таким как влага, кислород и ультрафиолетовое излучение, которые могут быстро разрушить элементы, если они не будут должным образом инкапсулированы.
• Использование свинца поднимает серьезные проблемы безопасности для здоровья и окружающей среды, требуя исследований нетоксичных альтернатив.
• Переход от мелкосерийного лабораторного производства к крупномасштабному производству создает проблемы в поддержании качества и эффективности.
• Конструкционная целостность может быть нарушена при высоких температурах, что ограничивает их использование в определенных климатических условиях без эффективных решений по управлению теплом.