Солнечные панели на основе перовскита

Солнечные панели – одно из ключевых направлений развития «зеленой» энергетики. Их главное преимущество, в сравнении с другими альтернативами, такими как ветрогенераторы – минимальная потребность в обслуживании и значительно меньшие инвестиции. Кроме того, солнечные панели могут без труда размещаться на любых поверхностях – крышах зданий, остановок общественного транспорта и пр. Широкому внедрению солнечных панелей препятствуют три главных фактора: высокая стоимость электроэнергии (следствие высокой стоимости и низкого КПД), зависимость от погодных условий и сложная технология производства. Кроме того, классические солнечные панели на основе кремния – достаточно хрупкое изделие. Поэтому, появление новой технологии – солнечных панелей на основе перовскита стало прорывом в отрасли.

Перовскит – это особый класс химических соединений, гибридный органо-неорганический материал на основе галогенида свинца или олова. Особенности кристаллической решетки перовскитов позволяют создавать на их основе очень эффективный светособирающий слой для солнечных панелей.

Основные преимущества солнечных батарей на основе перовскита:

• Длительный срок службы без заметной потери мощности;
• Широкий диапазон поглощения света – от ближнего инфракрасного до всего видимого спектра и высокий коэффициент поглощения падающего излучения;
• Высокий КПД: порядка 22%
• В сравнении с классическими кремниевыми и арсенид-галлиевыми солнечными панелями, перовскит существенно дешевле и проще в производстве

Главной проблемой, сдерживающей широкое внедрение перовскитных солнечных панелей являлась их неустойчивость к воздействию влаги и кислорода воздуха. Но, прогресс в развитии тонкопленочных покрытий создал возможность изготовления надежных и долговечных батарей на основе перовскита.

Ожидается, что в ближайшей и среднесрочной перспективе темп роста мирового рынка солнечных панелей на основе перовскита составит 34% в год. Прогноз на 2027 год — $ 3,5 млрд.

Прогноз динамики мирового рынка солнечных панелей на основе перовскита, млрд. долл. США

Одной из важных проблем, сдерживающих широкое внедрение солнечных панелей на основе перовскита является высокая токсичность входящего в их состав свинца. Но, в настоящее время найдено несколько эффективных путей еe решения – капсуляция рабочего слоя и применение перовскитов на основе менее токсичного олова.

В настоящее время лидерами мирового рынка перовскитовых солнечных панелей являются европейские компании малого и среднего бизнеса, в том числе выросшие из стартапов. Рынок слабо структурирован, лидеры пока не определились. Это – возможность для российских инновационных предпринимателей. Опираясь на эффективную государственную поддержку они могут развить собственные технологические и производственные компетенции и выйти на глобальные быстрорастущие рынки новой высокотехнологичной продукции – солнечных панелей на основе перовскита.

Источник

Солнечные батареи из перовскита

Перовскит (или титанат кальция) является одним из самых распространенных на земле минералов. Он был открыт немецкими геологами более 170 лет назад, и до последнего времени широко использовался преимущественно в качестве диэлектрика. Когда на свет появились первые солнечные батареи, перовскитные элементы для их создания не рассматривались. Причиной была невозможность добиться его длительной устойчивости при генерации энергии, что является сложной инженерной задачей даже сегодня.

Электротехнические свойства перовскита

Интерес к минералу, как потенциальному полупроводнику для фотоэлектрических систем, возник только в 21 веке, с появлением тонкопленочных технологий. Первые же эксперименты подтвердили, что передачу электрического заряда перовскитные солнечные элементы осуществляют ничуть не хуже «классики» из кремния. Но при этом удельное поглощение одного и того же количества излучения достигалось при толщине:

• кремниевой пластины – 180 мкм;
• перовскитной пленки – 1 мкм.

Причиной оказалась примерно во столько же раз большая эффективная ширина поглощающего спектра у неприметного минерала. Более того, добыча в промышленных масштабах титаната кальция дешевле, а его производство проще.

Почему же перовскитные солнечные панели уже сегодня не вытеснили с рынка кремний? Причина – в некоторых физико-технических особенностях этого природного материала.

Недостатки титаната кальция и поиски их устранения

Структурно молекула минерала CaTiO3 включает три химических элемента:

В кристаллической решетке они располагаются особенным образом, что диктует физико-химические свойства поведения материала при различных электрохимических реакциях.

Главной проблемой получения энергии из этого фантастически перспективного полупроводника является быстрая потеря стабильности его структуры под воздействием высокой температуры.

Устранить данный недостаток можно было только одним путем – перестроить расположение молекул внутри слоя вещества. Этот процесс идет до сих пор, и каждая новая модификация структуры становится все более стабильной, а солнечные перовскитные элементы – производительней.

Примерная динамика совершенствования фотоэлектрических ячеек на базе CaTiO3 выглядит следующим образом:

В процессе поиска оптимальных решений инженерами было найдено еще одно, компромиссное решение использования уникальных свойств титаната кальция. Так на свет появились тандемные фотоэлектрические батареи, в которых слой перовскита работал параллельно со слоем электроактивного силикона.

В опытных образцах 2021 года прототипы таких панелей показывали эффективность 26,3%, промышленных – 23-25%.

При этом структурная целостность без потери эксплуатационных характеристик по расчетам должна сохраняться от 3 до 5 лет. Что, при кратно более низкой цене производства, уже сделает перовскитные солнечные батареи очень серьезным конкурентом классики.

Преимущества инновационных панелей 3-го поколения

Наряду с фотовольтаикой на базе полимеров и органики, тонкопленочные перовскиты относят к третьему поколению гелио панелей. Для них характерен ряд важных достоинств.

1. Неорганическая структура. Отсутствие в составе органики кардинально улучшает термическую устойчивость ячеек, и, как следствие, снижает скорость их деградации.
2. Широкий спектр диапазона поглощения. Для еще большего повышения генерации последние модели панелей содержат в своем составе марганец.
3. Возможность использовать в роли электродов углерод вместо золота. Токопроводимость при переносе энергии с перовскитных ячеек на проводники это не уменьшило, но себестоимость пленок сократило значительно.
4. Высокая скорость и доступность оборудования для изготовления. Перовскитные солнечные панели сегодня можно напечатать на 3D-принтере среднего уровня. Более того, на выходе несложно получать целые рулоны пленки с возможностью их дальнейшей нарезки при сохранении эксплуатационных качеств каждого отрезка.
5. Экологическая чистота. Пленки на базе CaTiO3, в т.ч. гетероструктурные, не содержат в своем составе экологически опасные химические элементы. Это сильно упрощает процесс их последующей утилизации и не требует установки дорогостоящих улавливателей канцерогенов на стадии производства.

Решение проблемы долговечности за счет инкапсулирования

Долгое время специалистами велись яростные дискуссии относительно проблемы недолговечности перовскитных элементов. Вплоть до 2020 года считалось, что в ближайшем будущем повысить срок их эффективной службы более, чем до 1,5-2 лет, не удастся. Однако именно в этот году удалось открыть технологию инкакпсулирования – «сплошного» запечатывания ячеек из титаната кальция в специальную капсулу.

Для сохранения КПД панелей требовалось не просто создать единой целое из перовскитной «начинки» и внешнего сплошного покрытия. Последнее должно было представлять собой внешний слой «капсулы» с таким набором свойств:

• абсолютной влаго- и особенно термоустойчивостью;
• практически бесконечным сроком сохранения целостности, а также механической и химической прочности;
• предельно малым весом;
• максимальной прозрачностью.

Таким материалом стало сложное стеклянно-полимерное соединение, удовлетворяющее всем заданным свойствам. Претерпели изменения и сами перовскитные солнечные элементы. Теперь они состояли не из одного, а двух разновидностей модифицированного минерала, со сложными формулами Cs0.05FA0.8MA0.15Pb(I0.85Br0.15)3 и FA0.85MA0.15Pb(I0.85Br0.15)3.

Создателям тандема стала группа ученых из Нового Южного Уэльса (Австралия), а образцы на испытаниях показали следующие результаты, присущие обязательному стандарту IEC61215:2016:

• 1000 часов непрерывной работы при t= +85°C (новые панели продержались 1800 часов);
• 40 циклов суточных температурных перепадов от — 40°C до +85°C (имитация экстремальных условий) – новинка выдержала 75 циклов;
• сохранение не менее 90% КПД при каждом из испытаний.

Кроме того, солнечные панели из перовскита в капсулах из стеклополиизобутилена (PIB) продемонстрировали КПД свыше 25%.

Источник

Ученые создали безопасный перовскит для солнечных элементов на основе свинца

Ученые создали безопасный и долговечный первоскит для солнечных батарей на основе свинца. Разработка позволит повысить эффективность перовскитных солнечных элементов и использовать их в бытовых приборах, говорится в исследовании ученых из Университета Северного Иллинойса.

Перовскитные солнечные батареи — одна из самых многообещающих технологий в области возобновляемой энергетики. Такие элементы эффективно преобразуют свет в электричество, а их производство проще и дешевле, чем изготовление обычных солнечных панелей.

Однако главным недостатком перовскитных солнечный батарей до сих пор было наличие растворимого в воде свинца, который может быть опасен как для самой батареи, так и для здоровья человека.

В новой работе исследователи разработали методику отделения свинца и минимизации потенциальной утечки токсичных веществ. Сделать это удалось путем нанесения пленок, поглощающих свинец, на переднюю и заднюю части солнечного элемента.

«Решение проблемы токсичности свинца было одной из самых главных задач перед началом массового производства и внедрения перовскитных солнечных элементов. Мы считаем, что у нас есть многообещающее решение этой проблемы, которое может изменить ситуацию к лучшему»

Тао Сю, ведущий автор исследования

Ранее ученые из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» создали метаматериал-диэлектрик, который обладает свойствами анаполя и способен сохранять всю полученную извне энергию внутри себя. Разработка будет использоваться в качестве резонатора при создании солнечных батарей.

Источник

Солнечные батареи из перовскита

Вещество, известное ученым уже более ста лет, только сегодня, в начале XXI века, оказалось весьма перспективным материалом для производства дешевых и эффективных солнечных элементов. Перовскит, или титанат кальция, впервые найденный в виде минерала немецким геологом Густавом Розе в Уральских горах еще в 1839 году, и названный в честь графа Льва Алексеевича Перовского, славного государственного деятеля и коллекционера минералов, героя Отечественной войны 1812 года, оказался наиболее подходящим претендентом на роль альтернативы кремнию в производстве солнечных батарей.

Как вещество, титанат кальция до недавнего времени широко использовался лишь в качестве диэлектрика многослойных керамических конденсаторов. И вот теперь его пробуют применить для построения высокоэффективных солнечных батарей, поскольку выяснилось, что данный материал прекрасно абсорбирует свет.

Обычные, ставшие давно традиционными, кремниевые солнечные батареи при толщине в 180 микрон поглощают столько же света, сколько перовскит поглотит при толщине всего в 1 микрон. Перовскит так же как и кремний является полупроводником, и примерно так же эффективно передает электрический заряд под действием света, однако спектр преобразуемого в электричество света у перовскита шире, чем у кремния.

Структура кристаллического вещества титаната кальция идентична структуре минерала перовскита, потому и название у них одно и то же. И именно данное вещество находится сегодня на одном из лидирующих мест в рейтинге путей оптимизации для солнечной энергетики.

Все дело в том, что солнечные батареи на базе кремния стоят сегодня в среднем 75 центов за 1 кВт, а солнечные батареи на основе перовскита снизят их стоимость до 10-15 центов за 1 кВт, то есть технология солнечных батарей на перовските в 5-7 раз дешевле кремния как при производстве батарей, так и при их эксплуатации, а количество производимой электроэнергии такое же.

И это при том, что аналитики энергетической отрасли утверждают, что уже при стоимости в 50 центов за 1 кВт, солнечная энергия становится конкурентоспособной по отношению к ископаемому топливу. То есть переход на перовскит в глобальном масштабе снизит стоимость производства электроэнергии в разы, при этом процесс производства самих панелей будет очень простым.

Исследования по оценке и повышению эффективности солнечных элементов на основе перовскита ведутся во многих странах: в Австралии — Мартин Грин, в Швейцарии — Майкл Гретцель, в США — Генри Сайнт, Феликс Дешлер, Лиминг Дай, в Корее — Сок Санг Иль. Исследователи заявляют в один голос о дешевизне и высокой эффективности перспективной технологии.

Майкл Гретцель утверждает, что достигнутая им эффективность в 15% легко может быть увеличена до 25%, а недорогие солнечные элементы из ныне доступных не дотягивают до 15%. Впервые, в 2009 году, когда только заговорили о возможностях использования перовскита для солнечной энергетики, был получен КПД в 3,5%, и элементы были недолговечными, поскольку жидкий электролит растворял перовскит, и едва ученые успевали провести замеры, батарея прекращала работать.

Однако, спустя три года, жидкий электролит был заменен на твердый, и элементы стали более стойкими, а КПД сначала удвоился, а затем удвоился еще раз. Несколько электропроводящих слоев-подложек, на один из которых нанесли пигмент, решили проблему и открыли перспективу. Шаги по повышению эффективности не прекращаются и по сей день, ученые применяют в числе прочего и стандартные методы оптимизации, которые служили для улучшения кремниевых предшественников.

Майкл Гретцель уверен, КПД в 25% приведет к революции в солнечной энергетике. Профессор из Австралии, Мартин Грин, один из пионеров в исследованиях, утверждает, что бескремниевые батареи настолько просты в производстве и эффективны в эксплуатации, что однозначно есть уверенность — будущее у солнечных батарей на перовските светлое, ведь предварительные оценки уже пророчат колоссальное удешевление — в 7 раз.

Группа исследователей из Кореи, под руководством Сок Санг Иля, разработала собственную формулу, путем смешивания метиламмония бромида свинца с формамидин-иодидом свинца, ученые добились такой структуры перовскита, что установили рекордный КПД в 17,9%. Использование смеси позволит печатать солнечные элементы, и их стоимость еще больше снизится. Остается проблема — материал растворяется в воде, к тому же размер ячеек в тестах не превышал 10 кв.мм, так что исследования продолжаются.

Процесс изготовления перовскитовых солнечных элементов видится исследователям довольно простым. Жидкость просто разбрызгивается на поверхность или наносится в виде пара, что очень просто реализовать технологически. На металлическую фольгу или на стекло наносится несколько слоев материалов, один из которых — перовскит.

Другие материалы здесь нужны для того, чтобы способствовать перемещению электронов внутри элемента. Процесс изготовления приближен к идеалу. Физик из Оксфордского Университета, Генри Сайнт, занимающийся разработкой перовскитовых ячеек в США, уверен, что слои солнечной панели будут наноситься так же легко, как при обычной покраске какой-нибудь поверхности.

Несмотря на открывающиеся перспективы, ученые разделились на два лагеря. Первые ратуют за совершенствование уже ставших традиционными, кремниевых батарей, другие — за создание совершенно новых, более эффективных. Так, Мартин Грин считает, что перовскит можно применить как дополнение к кремниевым батареям, совместив кремний с перовскитом, и таким образом снизить стоимость ватта получаемой электроэнергии без значительных убытков для кремниевой отрасли. Майкл Гретцель — напротив убежден, что важны новые разработки, и издержки на повышение эффективности новых фотоэлементов окупятся многократно.

Многие компании уже работают над коммерческим внедрением продукта, ведь несмотря на то, что возможности перовскита еще только начинают осознаваться, ведущие специалисты в области солнечной энергетики уже устремили свое внимание в будущее. Австралийские и Турецкие компании вместе активно подошли к коммерциализации перовскитовых солнечных батарей, и по прогнозам, уже к 2018 году они будут представлены на мировом рынке.

Несмотря на оптимизм некоторых компаний, опыт показывает, что обычно необходимо лет десять для выхода новой технологии из лаборатории на рынок, а за это время и кремниевые батареи вполне могут и обогнать перовскит. Гретцель, кстати, продает лицензию на новую технологию компаниям, которые намерены идти по традиционному пути кремния.

Конкуренция на рынке солнечной энергетики также высока, и каждый новый игрок сталкивается с ней. Стоимость кремниевых панелей снижается, и по мнению некоторых аналитиков, она может понизиться до 25 центов за 1 кВт, что полностью лишит преимуществ технологию перовскита.

Остается проблемой и наличие в пигменте небольшого количества свинца, который токсичен. Предстоят экспериментальные исследования, которые выявят, на сколько токсичным оказывается перовскит. Стоит уделить внимание и утилизации отработанных батарей, как это происходит с стартерными автомобильными аккумуляторами. Но в принципе, вместо свинца может быть использовано олово или нечто подобное.

Между тем, исследователи из Огайо, под руководством Лиминг Дай, взялись за электрификацию электрокаров с помощью солнечных панелей из перовскита. Они разработали наиболее выгодное, чем это было раньше, сочетание солнечных панелей с аккумуляторами электрических автомобилей.

Подключив четыре перовскитовых батареи к литиевому аккумулятору, ученые добились КПД 7,8% в наиболее эффективной на сегодняшний день конфигурации, которая превзошла былые решения по совмещению солнечных батарей с суперконденсаторами и аккумуляторами.

Многослойные панели позволили повысить плотность и стабильность получаемой от солнца энергии. Тестирования показали, что три слоя перовскита преобразуются при желании в одну пленку. При площади одной ячейки не более 10 кв.мм, исследователи добились КПД 12,65% от преобразователя размером с монету, однако с учетом преобразования и хранения энергии, КПД составил 7,8% в цикличном режиме.

Такие системы, по мнению разработчиков, смогут в будущем не просто заряжать электрокары, но и будут установлены в виде гибкой пленки на кузовах. Технология представляется идеальной для электромобилей.

Примечательна способность перовскита к переизлучению. Ученый из Кембриджского университета, Феликс Дешлер, обнаружил, что перовскит обладает уникальным свойством. Когда на материал попадает свет, энергия фотонов не просто преобразуется в электроэнергию, часть заряда обратно превращается в фотоны.

Если панель сможет повторно использовать эти фотоны, то собираемой энергии станет еще больше. Группа Дешлера провела эксперимент, в котором сконцентрировала луч лазера на срезе перовскита толщиной в 0,5 микрона, и свет переизлучался в другом месте образца. Кремний, например, не обладает способностью перемещать внутри себя энергию и вновь ее испускать.

Таким образом, перспективы у перовскита колоссальны, и кто знает, может быть не за горами те времена, когда каждый дом и каждый автомобиль будут оснащены перовскитовыми батареями, поскольку загрязнять окружающую среду продуктами сжигания ископаемого топлива станет уже экономически не выгодно и не целесообразно.

Источник