Сонячна енергія 3.0: все про нову технологію, яка змінить майбутнє зеленої енергетики

Розроблені Цутому Міясако в 2009 році, перовскітні сонячні елементи стали проривом у сфері зеленої енергетики і перспективною альтернативою традиційним сонячним технологіям. Найпередовіші лабораторії світу експериментують із цими фотоелементами наступного покоління, здатними поглинати ширший спектр сонячного світла. Фокус пояснює, чому перовськіт зможе замінити кремній, і коли це станеться.

На відміну від енергоємного і дорогого виробництва, пов'язаного з сонячними панелями з кристалічного кремнію (c-Si), перовскітні елементи використовують металогалогенідні перовскіти. Ці матеріали спрощують виробничі процеси і роблять їх дешевшими, а також стимулюють дослідження, спрямовані на підвищення ефективності, довговічності та комерційної життєздатності. З потенційною ефективністю, яка зросла з 4% до понад 30%, перовскітні панелі можуть істотно вплинути на майбутнє відновлюваної енергетики, повідомляє interestingengineering.com.

Склад і функціональність перовскітних елементів

Перовськіти — це універсальні матеріали, відомі своєю винятковою композиційною гнучкістю, що робить їх придатними для різних високотехнологічних застосувань. Тобто, їх можна використовувати для виробництва чипів пам'яті та ультразвукових машин. Перовскітні матеріали, такі як метиламоній-свинцевий галогенід і повністю неорганічний цезій-свинцевий галогенід, особливо привабливі через свою економічну ефективність. Можливість друку цими матеріалами за низьких температур дає змогу виробляти більш легкі і тонкі сонячні модулі.

Такі пристрої, як тандемні сонячні елементи, покращують технологію, об'єднуючи сильні сторони перовскіта і кристалічного кремнію, захоплюючи ширший спектр сонячного світла і значно збільшуючи ККД. Тандемні панелі можна вбудовувати в будівлі, оснащуючи ними вікна та стіни, а також створювати блоки живлення, що самозаряджаються, і навіть текстиль.

Перовскітні сонячні елементи працюють за принципом, за якого сонячне світло взаємодіє з тонким шаром гібридного матеріалу на основі свинцю або олова. Ця взаємодія генерує пари електрон-дірка. Електрони рухаються до шару перенесення електронів (ETL), а дірки до шару перенесення дірок (HTL), створюючи електричний струм. Одна з проблем у максимізації ефективності цих елементів полягає в перешкоджанні випадкам, коли електрони передчасно з'єднуються з дірками, знижуючи вихідну потужність.

Близько 90% сонячних панелей використовують кремнієві напівпровідники, які не можна обробляти в розчині без ризику дефектів, що погіршують функціональність. А ось перовскітні напівпровідники, навпаки, мають високу відмовостійкість і можуть бути перероблені в напівпровідникові чорнила, що робить їх придатними для створення легких і гнучких сонячних елементів.

Така адаптивність ідеально підходить для мобільних додатків, таких як безпілотники і дахи автомобілів. Однак у той час як кремнієві сонячні елементи надійні, мають термін служби 25-30 років і мінімальну деградацію (близько 0,8% на рік), перовскітні сонячні батареї стикаються з проблемами довгострокової ефективності та вихідної потужності.

Чому перовскітні сонячні панелі поки що не популярні

Попри багатообіцяльні характеристики, перовскітні сонячні панелі мають низку значних проблем, які перешкоджають їхній комерційній життєздатності та широкому впровадженню на ринку порівняно з традиційною фотоелектричною технологією. Довговічність є основною проблемою, оскільки пристрої зазвичай мають термін служби всього 2,5 року через відсутність стабільності в реальних умовах. Ця деградація насамперед зумовлена такими факторами навколишнього середовища, як вологість і вплив УФ-випромінювання. Дослідники вивчають різні стратегії підвищення стабільності та продовження терміну служби перовскітних елементів за допомогою передових методів інкапсуляції та інновацій у матеріалах.

Хоча в контрольованих умовах вони вражають своїм ККД від 24% до 30%, пише Advanced Materials, але ефективність все ще потребує поліпшення в реальних додатках. Виробничий процес також стикається з перешкодами — більшість лабораторних методів виробництва панелей нелегко зробити масовими.

Вплив на навколишнє середовище є ще однією значною проблемою. У багатьох перовскітних матеріалах використовується свинець, що викликає побоювання з приводу токсичності та екологічної безпеки. Зусилля щодо усунення або безпечної інкапсуляції токсичних матеріалів мають вирішальне значення для просування перовскітних пристроїв до ширшого комерційного використання.

Досягнення у сфері розроблення перовскіту

Університет науки і технологій короля Абдалли (KAUST) і Центр Гельмгольца в Берліні (HZB) досягли ефективності перетворення енергії перовскітних сонячних елементів з покриттям з лез 31,2%, повідомляє pv-magazine-india.com. Інститут передових технологій (ATI) Університету Суррея подовжив термін служби цих елементів на 66%, вирішивши одну з ключових проблем у їхньому комерційному застосуванні. Крім того, вчені з Індії розробили високостабільні перовскітні елементи з чудовою термо- і вологостійкістю. Міський університет Гонконгу (CityUHK) продемонстрував комірки з ефективністю 25% і високою стабільністю, зберігаючи продуктивність 95% після 2000 годин роботи. Ці досягнення є частиною міжнародних зусиль з удосконалення технології перовскітних сонячних батарей.

GCL Group Holdings, великий китайський виробник сонячних панелей, розпочав будівництво найбільшого у світі заводу з виробництва перовскітних сонячних елементів у Сучжоу. Swift Solar планує побудувати завод у США протягом 2-3 років для виробництва тонкоплівкових сонячних елементів з використанням тандемних фотоелектричних систем на основі перовскіту. Аналогічним способом компанії з Великої Британії та Австралії вже комерціалізували цю технологію. Крім того, Міністерство економіки, торгівлі та промисловості Японії (METI) оголосило про плани з розгортання 20 ГВт технології перовскітних сонячних батарей до 2040 року, що свідчить про потужну державну підтримку та інвестиції в сонячну енергетику.

Ця інноваційна технологія не тільки скорочує використання землі і знижує вартість електроенергії за рахунок генерації більшої кількості енергії на одиницю площі, ніж традиційні панелі, а й демонструє прориви в ефективності, досягаючи більше 30% в лабораторних умовах. Перовскітні фотоелементи здатні зробити революцію у відновлюваній енергетиці завдяки своїй ефективності, економічності та універсальності. Вони можуть кинути виклик домінуванню кремнію і стимулювати майбутнє розширення потужностей сонячної енергетики.

Підсумки

Переваги перовскітних сонячних елементів

• ККД перовскітних батарей на рівні 30%, що перевершує максимум традиційних кремнієвих батарей — 25%.
• Перовскітні панелі виготовляються за кімнатної температури з використанням простих методів друку або нанесення покриття, що знижує виробничі витрати.
• Їх тонка і легка конструкція робить їх придатними для різних застосувань, включно з портативними пристроями та інтегрованими будівельними матеріалами.
• Зберігають більш високу ефективність при високих температурах, ідеально підходять для жаркого клімату, де традиційні панелі працюють погано.
• Такі інновації, як тандемні конструкції з перовскіту і кремнію, підвищують вироблення енергії, одночасно знижуючи використання матеріалів, сприяючи досягненню глобальних цілей сталого розвитку.

Недоліки перовскітних сонячних елементів

• Чутливі до факторів довкілля, таких як волога, кисень і ультрафіолетове випромінювання, які можуть швидко зруйнувати елементи, якщо вони не будуть належним чином інкапсульовані.
• Використання свинцю піднімає серйозні проблеми безпеки для здоров'я і навколишнього середовища, вимагаючи досліджень нетоксичних альтернатив.
• Перехід від дрібносерійного лабораторного виробництва до великомасштабного виробництва створює проблеми в підтримці якості та ефективності.
• Конструкційна цілісність може бути порушена при високих температурах, що обмежує їхнє використання в певних кліматичних умовах без ефективних рішень із управління теплом.

Раніше ми писали, що в Японії будуть "передавати" сонячну енергію незвичайним способом. Дослідники планують встановити в космосі сонячні панелі, а енергію, яку вони генерують, відправлятимуть на Землю у вигляді мікрохвиль.