Энергетика

Перовскиты: следующее поколение солнечных батарей и освещения?

25.11.2020 18:05
Просмотров: 8449

По словам Сэма Стрэнкса из Кембриджского университета, энтузиазм по поводу открытий, связанных с перовскитными материалами, растет. Перовскитные солнечные элементы достигли 25,2% эффективности в 2019 году, что недалеко от кристаллических кремниевых элементов — 26,7%. Исследования показывают, что эта цифра может вырасти еще больше. Перовскит может быть «настроен» на поглощение определенных частот света, позволяя различным слоям перовскита поглощать различные и, следовательно, более высокие частоты, чем стандартные ячейки. Они также могут быть наложены поверх существующих кремниевых панелей для поглощения дополнительных частот и повышения их эффективности на 30%. Этот материал также может излучать свет для более дешевого и качественного освещения, чем современные коммерческие светодиоды (на освещение приходится 5% мировых выбросов). Удивительно то, что дефекты и дефекты в ячейках мало влияют на производительность, что меняет учебник по тому, что представляет собой идеальный полупроводник — всегда считалось, что кристаллическая однородность важна. Одна из ключевых проблем, которая остается,-это долгосрочная стабильность перовскита. Но ряд компаний начинают коммерциализировать производство. Существующая солнечная фотоэлектрическая технология достигает предела того, насколько она может быть дешевой, поэтому необходима новая технология, чтобы дать солнечной энергии еще одно десятилетие выдающейся производительности.

Нам нужно больше солнечной энергии

Спрос на более дешевую и экологичную электроэнергию означает, что энергетический ландшафт меняется быстрее, чем в любой другой момент истории. Это особенно верно в отношении солнечной энергии и аккумуляторных батарей. Стоимость обоих снизилась беспрецедентными темпами за последнее десятилетие, а энергоэффективные технологии, такие как светодиодное освещение, также расширились.

Доступ к дешевой и повсеместной солнечной энергии и хранилищам преобразует способ производства и использования энергии, позволяя электрифицировать транспортный сектор. Существует потенциал для новых химических экономик, в которых мы храним возобновляемые источники энергии в качестве топлива и поддерживаем новые устройства, составляющие «интернет вещей».

Пределы эффективности и снижения затрат

Но наши нынешние энергетические технологии не приведут нас к этому будущему: мы скоро достигнем пределов эффективности и затрат. Потенциал для будущего снижения стоимости электроэнергии от кремниевых солнечных батарей, например, ограничен. Изготовление каждой панели требует изрядного количества энергии, а заводы строить дорого. И хотя себестоимость производства можно немного сжать, в затратах на солнечную установку теперь доминируют дополнительные расходы — монтаж, электропроводка, электроника и так далее.

Рабочие на заводе китайского производителя солнечных батарей в Ханчжоу, Китай
Рабочие на заводе китайского производителя солнечных батарей в Ханчжоу, Китай

Это означает, что нынешние солнечные энергетические системы вряд ли удовлетворят требуемую долю наших 30 тераватт (ТВт) глобальных потребностей в электроэнергии (сегодня они производят менее 1 ТВт) достаточно быстро, чтобы решить такие проблемы, как изменение климата.

Кроме того, наши современные технологии светодиодного освещения слишком дороги и недостаточно хороши для того, чтобы реально заменить традиционное освещение в достаточно короткие сроки. Это проблема, поскольку на освещение в настоящее время приходится 5% мировых выбросов углекислого газа. Чтобы заполнить этот пробел, необходимы новые технологии, причем быстро.

Галогенидные перовскиты

Лаборатория в Кембридже, Англия, работает с многообещающим новым семейством материалов, известных как галогенидные перовскиты. Это полупроводники, проводящие заряды при воздействии света. Перовскитные чернила наносятся на стекло или пластик, образуя чрезвычайно тонкие пленки – около одной сотой ширины человеческого волоса – состоящие из ионов металлов, галогенидов и органических соединений. Будучи зажатыми между электродными контактами, эти пленки образуют солнечные элементы или светодиодные устройства.

Удивительно, но цвет света, который они поглощают или излучают, можно изменить, просто изменив их химическую структуру. Изменяя способ их выращивания, можно адаптировать их так, чтобы они больше подходили для поглощения света (для солнечной панели) или испускания света (для светодиода). Это позволяет создавать различные цветные солнечные элементы и светодиоды, излучающие свет от ультрафиолетового до видимого и ближнего инфракрасного диапазонов.

Несмотря на их дешевую и универсальную обработку, эти материалы оказались удивительно эффективными как в качестве солнечных элементов, так и в качестве излучателей света. Перовскитные солнечные элементы достигли 25,2% эффективности в 2019 году,вслед за кристаллическими кремниевыми элементами — 26,7%, а перовскитные светодиоды уже приближаются к готовым органическим светодиодам (OLED).

Коммерциализация

Эти технологии быстро коммерциализируются, особенно на фронте солнечных батарей. Британская компания Oxford Photovoltaics построила производственную линию и заполняет свои первые заказы на закупку в начале 2021 года. Польская компания Saule Technologies выпустила прототип продукции в конце 2018 года, в том числе пилотный проект перовскитного солнечного фасада. Китайский производитель Microquanta Semiconductor рассчитывает до конца года выпустить на своей производственной линии более 200 000 квадратных метров панелей. Американская компания Swift Solar является пионером в области высокопроизводительных систем ячеек с легкими, гибкими свойствами.

Между этими и другими компаниями наблюдается быстрый прогресс.

Цветные перовскитные светоизлучающие чернила, которые можно лить на тонкие пленки
Цветные перовскитные светоизлучающие чернила, которые можно лить на тонкие пленки

Дефекты ячеек не являются проблемой

В отличие от обычных кремниевых ячеек, которые должны быть очень однородными для высокой эффективности, перовскитные пленки состоят из мозаичных «зерен» очень изменчивого размера (от нанометров до миллиметров) и химии — и все же они работают почти так же хорошо, как лучшие кремниевые ячейки сегодня. Более того, небольшие пятна или дефекты в пленках перовскита не приводят к значительным потерям мощности. Такие дефекты были бы катастрофическими для кремниевой панели или коммерческого светодиода.

Хотя ученые все еще пытаются понять это, эти материалы заставляют сообщество переписать учебник для того, что мы считаем идеальным полупроводником: они могут иметь очень хорошие оптические и электронные свойства, несмотря на – или, возможно, даже из–за беспорядка.

Свет, излучаемый мозаичными зернами в пленке перовскита
Свет, излучаемый мозаичными зернами в пленке перовскита

Можно было бы гипотетически использовать эти материалы, чтобы сделать «дизайнерские» цветные солнечные элементы, которые сливаются со зданиями или домами, или солнечные окна, которые выглядят как тонированные стекла, но генерируют энергию.

Превосходя производительность кремниевых элементов

Но реальная возможность состоит в том, чтобы разработать высокоэффективные клетки, превосходящие эффективность кремниевых клеток. Например, можно наслоить две разноцветные перовскитные пленки вместе в «тандемном» солнечном элементе. Каждый слой будет собирать различные области солнечного спектра, увеличивая общую эффективность ячейки.

Другим примером является то, что Oxford PV являются пионерами: добавление слоя перовскита поверх стандартной кремниевой ячейки, повышая эффективность существующей технологии без значительных дополнительных затрат. Эти тандемные подходы к слоям могут быстро повысить эффективность солнечных панелей выше 30%, что снизит затраты как на панели, так и на систему, а также уменьшит их энергетический след.

Эти перовскитные слои также разрабатываются для производства гибких солнечных панелей, которые могут быть обработаны для рулона, как газетная бумага, что еще больше снижает затраты. Легкие, мощные солнечные батареи также открывают возможности для питания электромобилей и спутников связи.

И для освещения тоже

Для светодиодов перовскиты могут достигать фантастического качества цвета, что может привести к передовым гибким технологиям отображения. Перовскиты также могут дать более дешевое, более качественное белое освещение, чем современные коммерческие светодиоды, с «цветовой температурой», способной дать холодный или теплый белый свет или любой желаемый оттенок. Они также вызывают интерес в качестве строительных блоков для  будущих квантовых компьютеров, а также рентгеновских детекторов  для получения медицинских изображений с очень низкими дозами и систем безопасности.

Хотя первые продукты уже появляются, все еще существуют проблемы. Одним из ключевых вопросов является демонстрация долгосрочной стабильности. Но эти исследования многообещающи, и как только они будут разрешены, галогенидные перовскиты действительно смогут стимулировать трансформацию нашего производства и потребления энергии.