Привет, Хабр! На связи Виктор Сергеев из МТС Диджитал. Сегодня обсудим настоящее и будущее солнечных панелей.
Группе ученых из Турции и Саудовской Аравии удалось добиться отличного результата: эффективность солнечных элементов тандемного типа — 34%. Правда, пока он установлен только в лабораторных условиях. Ученые воспользовались тандемной структурой фотоэлемента, покрыв обычные кремниевые панели специальной пленкой из стабилизированного перовскита.
Что у вас тут за тандемы?
Начиная с 50-х годов XX века солнечные панели изготавливали на основе кремния — это фактически отраслевой стандарт. Но «чистые кремниевые» элементы давно достигли теоретического предела эффективности. Помочь обойти это ограничение помогает перовскит — это материал с той же кристаллической структурой, что и минеральный оксид кальция-титана, первый открытый кристалл перовскита. Обычно соединения перовскита имеют химическую формулу ABX3, где A и B представляют собой катионы, а X — анион, который связывается с обоими. Для образования перовскитных структур можно комбинировать вместе большое количество различных элементов.
Идея объединить кремний с перовскитным покрытием не новая. Еще в 2012 году исследователи поняли, как создать стабильный тонкопленочный перовскитовый солнечный элемент с эффективностью преобразования фотонов в электроны более 10%. Тогда ученые использовали перовскиты галогенида свинца в качестве светопоглощающего слоя.
Тандемный элемент поглощает широкую часть спектра. Дело в том, что перовскит может поглощать энергию из синего и ультрафиолетового диапазона, а кремний лучше работает в красной и инфракрасной частях. Перовскит наносится в форме специального раствора, который затем кристаллизуется. На поверхности солнечного элемента появляются кристаллы. Здесь есть одна проблема — они не очень стабильны. Кристаллическая структура со временем разрушается. Это не самый быстрый процесс, но все же нанесенный слой постепенно деградирует, а стабильное и сильное нагревание увеличивает скорость деградации.
А что, если добавить тетрагидротриазиний?
Команда ученых из Турции и Саудовской Аравии решила добавить к этой теплой компании элементов и соединений еще одно — тетрагидротриазиний (Tetrahydrotriazinium). Его особенность в нейтрализации свободных положительных ионов водорода, то есть фактически протонов. А они и есть причина разрушения кристаллической решетки перовскитов.
Исследователи разработали специальный процесс стабилизации раствора со всеми необходимыми компонентами. Им удалось найти оптимальные условия формирования кристаллов перовскита с защитой со стороны тетрагидротриазиния. Получившимся стабильным раствором они покрыли обычный солнечный элемент, достигнув в лабораторных условиях эффективности в 34%. Чтобы проверить результаты, исследователи отправили образец в независимую европейскую лабораторию. Там получили почти такой же показатель — 33,7%.
Технология не идеальная. Есть еще одна проблема: если тандемный солнечный элемент нового типа подвергается только действию света, все хорошо. Но когда на него одновременно действуют светом и теплом, эффективность преобразования начинает постепенно падать. И процесс этот быстрый — 10% примерно за три месяца. Поэтому технология пока не готова к коммерческому использованию.
Ученые продолжают работу и надеются, что у них получится увеличить стабильность перовскитных солнечных батарей.
А что с коммерческими образцами?
Перовскитные солнечные панели уже есть в продаже. Самые энергоэффективные из них выпускает немецкая компания Oxford PV. Перовскит-кремниевый солнечный элемент Oxford PV достиг эффективности 26,9%. Это выше показателей лучших современных кремниевых панелей такой же площади на 1,9%. И, как я уже говорил выше, это не предел для тандемных конструкций.
Площадь немецкого модуля — около 1,6 м², а вес меньше 25 килограммов. Он универсален: такую солнечную панель можно разместить на крыше предприятия или жилого дома. По словам представителей компании, эффективность «солнечной фермы» из элементов нового типа примерно на 20% выше, чем обычной, из кремниевых панелей. Разумеется, при равной площади.
«В течение последнего десятилетия наша команда неустанно демонстрировала потенциал перовскита в кремниевых тандемных солнечных элементах, устанавливая и побивая рекорды эффективности. Теперь мы предпринимаем следующие шаги по внедрению этой высокоэффективной солнечной технологии в коммерческое использование, чтобы поддержать наше видение полностью электрического будущего», — сказал Крис Кейс, технический директор Oxford PV. Компания выпускает свои элементы в Бранденбурге-на-Хавеле (Германия) и сейчас планирует масштабировать производство.
Солнечные панели становятся все больше востребованным источником энергии, конечно, в регионах с достаточным уровнем инсоляции. Они понемногу дешевеют, а их эффективность, как видим, растет. Так что будущее у технологии явно есть.