Нові технології можуть зробити сонячну енергію ефективнішою

Британські вчені збільшили термін служби перовськітних сонячних елементів у 10 разів. Чи зможуть вони замінити кремній у майбутньому?

Новаторське дослідження вчених з Університету Суррея показало десятикратне збільшення терміну служби перовскітних сонячних елементів на основі олова завдяки застосуванню наночастинок глинозему.

Сонячна енергетика демонструє вражаюче зростання як альтернатива викопному паливу в енергетичній галузі. У 2023 році США виробили близько 238 121 гігават-годин електроенергії з сонячних джерел, що у вісім разів перевищує показники 2014 року. Проте залежність галузі від невідновлюваного кремнію створює суттєві перешкоди для повного розкриття потенціалу сонячної енергетики. Саме тому вчені активно шукають більш сталі альтернативи.

Перовскіти давно привертають увагу дослідників через їхню доступність та здатність ефективніше поглинати світло порівняно з кремнієм. Однак їхній основний недолік – надзвичайно короткий термін експлуатації, який досі обмежував можливості комерційного застосування.

Інноваційне рішення для стабільності перовскітів

Дослідники з Університету Суррея розробили метод, який значно підвищує стійкість перовскітів на основі олова. Ключем до успіху стало використання наночастинок глинозему (Al?O?), які ефективно захоплюють сполуки йоду, що утворюються під час окислення матеріалу.

“Десять років тому ідея про те, що перовскітні сонячні елементи можуть працювати так довго в реальних умовах, здавалася недосяжною”, – зазначає Хашині Перера, провідна авторка дослідження, опублікованого в журналі EES Solar. Вона підкреслює, що нові вдосконалення відкривають небачені раніше горизонти стабільності та продуктивності цих матеріалів.

Варто зауважити, що перовскіти на основі олова все частіше отримують перевагу порівняно з перовскітами на основі свинцю. Причина полягає в тому, що хоча обидва елементи токсичні, олово має властивість окислюватися до нерозчинних продуктів, що створює менші ризики для навколишнього середовища.

Механізм дії та результати випробувань

Проблема окислення олова раніше створювала замкнене коло руйнування перовскітів. Як пояснював Луїс Ланцетта в дослідженні 2021 року, “стабільність є основною проблемою перовскітів на основі олова, в основному через реакції окислення, які відбуваються, коли матеріали піддаються впливу повітря та вологи”. Окрім того, витік йоду додатково запускав окислення олова (II) до солей олова (IV), створюючи цикл розкладання.

Наночастинки глинозему вирішують цю проблему одразу кількома способами. По-перше, вони захоплюють сполуки йоду, запобігаючи подальшому окисленню. По-друге, сприяють формуванню більш однорідної структури матеріалу. По-третє, створюють захисний двовимірний шар на поверхні перовскіту.

Випробування в екстремальних умовах підтвердили ефективність цього підходу. Модифіковані перовскіти функціонували протягом двох місяців (приблизно 1530 годин) при високих температурах та підвищеній вологості. Це майже в десять разів перевищує показники звичайних перовскітів, які витримували лише 160 годин в аналогічних умовах.

Перспективи комерційного застосування

“Те, чого ми досягли, є важливим кроком на шляху до розробки високоефективних сонячних елементів, здатних витримувати реальні умови”, – коментує співавторка дослідження Імалка Джаявардена. Вона наголошує, що це наближає перовскітну технологію до широкомасштабного комерційного використання.

Звісно, двомісячний термін служби все ще значно відстає від 25-річної довговічності типових кремнієвих сонячних елементів. Однак дослідження переконливо демонструє, що властиві перовскітам обмеження можна подолати інженерними методами.

Подальші розробки в цьому напрямку можуть значно прискорити перехід до відновлюваних джерел енергії. Поєднання доступності, ефективності та зростаючої довговічності робить перовскіти надзвичайно перспективними кандидатами для заміни кремнію в сонячній енергетиці майбутнього.