Перовскитные солнечные панели появятся на рынке через полтора года. Перовскитовые солнечные панели
Перовскитные солнечные батареи: особенности и преимущества
«Science » («Наука») – авторитетный еженедельный научный журнал, издающийся в США, в конце каждого года публикует список десяти важнейших научных достижений прошедшего года. В 2013 году в этот список попали последние работы в области фотовольтаики, в частности, исследования применения материала, абсолютно нового в солнечной электроэнергетике – перовскита. Уже первые образцы перовскитных солнечных батарей показали достаточно обнадеживающие результаты – эффективность их составляла 15%.
Но это были первые опыты. Начались исследования, поиски новых технологий, новых компонентов, новых оптимальных решений. Ведь перовскитные солнечные батареи намного дешевле кремниевых, а если добиться их высокого коэффициента полезного действия, то это станет настоящим прорывом в области альтернативной энергетики.
Так что же это за чудо-материал, который вот так неожиданно оказался в центре внимания ученых, исследователей во всем мире, работающих в области солнечной фотовольтаики? Да и не только в ней, но и в области физики полупроводников, промышленной радиоэлектроники. Оказывается, перовскит известен уже более полутора веков. Его открыл немецкий минералог и геолог Густав Розе в 1839 году, исследуя минералогию и структуру Уральских гор.
Перовскит – это название Густав Розе дал вновь открытому минералу в честь графа Льва Алексеевича Перовского, чья великолепная минералогическая коллекция была известна специалистам во всем мире. Выдающийся государственный деятель граф Л.А. Перовский финансировал и экспедицию немецкого геолога, поскольку понимал, что Уральские горы – это настоящая сокровищница различных минералов, которые можно будет использовать не только в ювелирном деле.
Минерал перовскит
Перовскит представляет собой минерал преимущественно черного или красновато-коричневого цвета с оригинальной структурой кристаллической решетки. Он богат содержанием примесей титана, ниобия, железа, церия, кальция, тантала. Структура перовскита настолько уникальна, что на ее основе были созданы высокотемпературные сверхпроводящие материалы, ионные проводники, а также некоторые материалы, обладающие свойствами полупроводников. В результате исследований и многочисленных экспериментов в разных странах удалось получить материалы с так называемой перовскитной структурой, причем материалы эти были представлены в различных модификациях – от нанопленок до нанонитей.
Солнечная ячейка на базе тонкопленочного пероксита
Интерес к развитию солнечной электроэнергетики резко возрос в последние годы. Только в 2014 году суммарная мощность солнечных электростанций во всем мире достигла значения в 185 гигаватт, увеличившись по сравнению с 2013 годом на 47 гигаватт. Таким образом, доля солнечных электростанций в мировом производстве электроэнергии превысила три процента.
А ведь всего три года назад, в 2010 году суммарная мощность всех солнечных электростанций мира составляла всего 70 гигаватт. Причина такого бурного роста одна: с появлением новых технологий и совершенствованием солнечных батарей резко снизилась стоимость последних. Практически эта стоимость упала более чем в пять раз, а эффективность лучших серийно выпускаемых образцов увеличилась до 20%. Это привело к тому, что, например, в США один киловатт, производимый на солнечных электростанциях, в 2014 году стоил всего 7.2 цента, то есть стал дешевле электричества, производимого электростанциями, работающими на угле.
Прогнозируется, что в течение примерно пяти лет цена киловатта солнечной электроэнергии уменьшится более чем на 25%, и, таким образом, солнечное электричество станет дешевле того, которое вырабатывается на газовых электростанциях.
Прогнозы эти называют осторожными, потому что они были сделаны без учета того, какое место в гелиевой фотовольтаике займут перовскитные солнечные батареи. В конце 2014 года в Южной Корее, в институте химической технологии, были получены перовскитные солнечные элементы с коэффициентом полезного действия, равным 18%. По этому показателю перовскитные батареи сравнялись с серийными кремниевыми фотопреобразователями. А вот стоимость этих новых батарей была значительно ниже стоимости традиционных гелиевых панелей.
Солнечная панель с пленкой из галогенида перовскита
Продолжая исследовательские работы в этом перспективном направлении, прогнозируя его развитие, ученые пришли к выводу, что в ближайшие пять–десять лет эффективность перовскитных элементов может быть увеличена до 30%.
Единственное, что в настоящий момент не позволяет запустить перовскитные батареи в промышленное производство, – это сравнительно невысокие показатели устойчивости к перегреву и восприимчивости ультрафиолетового излучения. Тем не менее ученые продолжают работать в этом направлении, и лабораторные эксперименты уже дали результаты, которые позволяют говорить о живучести перовскитных батарей не менее 25 лет.
Получение эффективных и дешевых солнечных батарей занимает сейчас ученых во всем мире. Лучшие лаборатории работают над тем, чтобы максимально использовать энергию солнца, уменьшить зависимость от органических ископаемых источников энергии. В Швейцарии перовскитными солнечными батареями занимается профессор Михаэль Гретцель, руководитель исследовательской лаборатории в Федеральной политехнической школе в Лозанне.
Было бы удивительным, если бы этой проблемой не заинтересовались и российские ученые. К исследованиям в этой области подключились специалисты двух факультетов МГУ. Совместно со швейцарскими специалистами во главе с Михаэлем Гретцелем в 2015 году были начаты работы в рамках российско-швейцарского проекта в области перовскитного фотоэлектрического преобразования.
Нитевидная структура перовскита
В ходе работ был изучены основные принципы и условия формирования перовскитных структур в виде нанонитей. Почему именно нанонити? Да потому, что по расчетам ученых именно перовскитные нанонити являются наиболее перспективными для создания солнечных батарей.
Органо-неорганические материалы, имеющие перовскитную структуру, – это совершенно новая форма фотоэлектрических преобразователей. Впервые такая ячейка была получена в Швейцарии в 2009 году. Ее эффективность была чрезвычайно мала – около 3.5%. Но сейчас, после целого ряда успешных исследовательских работ, эффективность таких ячеек возросла в несколько раз и составляет на текущий момент порядка 22%. А чрезвычайно простая и очень экономичная технология производства этих гелиевых ячеек открывает широкие перспективы их применения и мощной конкуренции кремниевым фотопреобразователям.
В результате совместных исследований и экспериментов, проведенных российскими и швейцарскими учеными, была предложена принципиально новая методика получения перовскита с нитевидной морфологией. Исследователи впервые в мире экспериментально проследили образование протяженных нанонитей, превращающихся на последующих этапах в перовскит, но с нитевидной структурой. Именно это и легло в основу создания технологии получения солнечных перовскитных батарей.
Солнечная перовскитная панель
По мнению многих видных ученых, которые работают в области солнечной фотовольтаики, новые бескремниевые солнечные батареи вне всякого сомнения имеют большое будущее. А прогнозируемое снижение более чем в семь раз стоимости одного киловатта солнечного электричества по сравнению с нынешними ценами открывает самые широкие перспективы для развития гелиевой электроэнергетики.
Команда ученых Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии (NREL) США нашла способ создавать перовскитовые чернила, которые открывают дорогу к массовому производству солнечных панелей из этого материала.
Перовскитовые технологии создания солнечных элементов обладают большим потенциалом — они изготавливаются из дешевого сырья и отличаются высокой эффективностью. Есть у них и недостатки, в частности — отсутствие надежного способа их массового производства. Именно эту проблему и может решить открытие ученых NREL.
Перовскиты — это класс материалов с одинаковой кристаллической структурой. Многие из них имеют вкрапления органических веществ и металлов. Ученые начали исследования с простой формы перовскитов, образованных из йода, свинца и метиламмония. В нормальных условиях этот материал легко образует фотогальванические кристаллы, но при повышенных температурах процесс занимает больше времени. Это можно замедлить производство и существенно увеличить его стоимость.
Поэтому ученые стали искать условия, ускоряющие формирование кристаллов. В результате получилось то, что они назвали «перовскитовыми чернилами». Им нужна всего минута, чтобы высохнуть на поверхности при температуре 100° C. Этого достаточно, чтобы начать производить перовскитовые солнечные панели рулонным методом.
Солнечные элементы, произведенные таким образом, обладают КПД 17%, а при добавлении слоя фуллерена производительность возрастает до 19%. Это все равно меньше, чем у кремния, но значительно проще в производстве, сообщает Ars Technica. В лабораторных условиях КПД перовскитов может достигать 21,7%.
Всемирный экономический форум признал солнечные элементы из перовскитов одной из 10 наиболее значимых технологий 2016 года. Ожидается, что именно этот минерал сможет совершить прорыв в индустрии солнечных панелей.
Перовскитные солнечные панели появятся на рынке через полтора года
В ближайшем будущем солнечные панели будут напыляться на поверхности как спрей, а фотоэлектрическую пленку будут печатать прямо на окнах домов и автомобильных крышах. Такой прорыв станет возможным благодаря перовскитам, рассказывает Bloomberg New Energy Finance.
Всемирный экономический форум признал солнечные элементы из перовскитов одной из 10 наиболее значимых технологий 2016 года. Ежегодно ученые со всего мира публикуют до 1500 научных работ по этой теме, хотя первая публикация появилась всего 8 лет назад. Ожидается, что именно этот минерал сможет совершить прорыв в индустрии солнечных панелей, которая, по данным IHS Markit, оценивается в $42 млрд.
Перовскиты обладают кристаллической структурой, которая позволяет им эффективно впитывать свет. Кроме того, их можно смешивать с жидкостью и наносить на различные поверхности — от стекла до пластика — в виде спрея.
Изначально научное сообщество отнеслось к солнечными панелям на основе перовскитов с недоверием. Кремниевые солнечные батареи уже доказали свою хоть и умеренную, но эффективность, а уникальные свойства перовскитов еще не были доказаны. Однако уже в 2012 году КПД элементов на основе перовскитов составил 10% — на тот момент, это был рекордный показатель.
На сегодняшний день перовскитные модули достигают КПД в 21,7% в лабораторных условиях. И такого результата удалось достичь менее чем за 5 лет. При этом по данным ВЭФ, эффективность традиционных солнечных панелей на основе кремния не меняется уже 15 лет.
Ученые продолжают экспериментировать с технологией. В сентябре прошлого года инженеры из Федеральной политехнической школы Лозанны достигли показателя 21,6%, добавив в состав панелей рубидий. Ученые из Оксфордского и Стэнфордского университетов создали панели из двух слоев перовскитов с КПД 20,3%.
Однако по-настоящему изменить рынок солнечных панелей обещает Oxford Photovoltaics, которая разрабатывает тонкие фотоэлектрические пленки на основе перовскита. Модули можно будет печатать на любых поверхностях. Только за декабрь 2016 года компания привлекла дополнительное финансирование в размере $10 млн. Готовый продукт Oxford Photovoltaics обещает представить уже в конце этого года, а на рынке он появится к концу 2018.
Но прежде чем солнечный модуль можно будет наносить как спрей, ученым придется решить несколько проблем. Перовскиты должны стабильно функционировать во внешней среде в течение долгого времени — пока что такие модули быстро выходят из строя. Необходимо усовершенствовать процесс нанесения перовскитного состава так, чтобы он распределялся равномерно.
altenergiya.ru
Перовскитные солнечные панели появятся на рынке через полтора года
Всемирный экономический форум признал солнечные элементы из перовскитов одной из 10 наиболее значимых технологий 2016 года. Ежегодно ученые со всего мира публикуют до 1500 научных работ по этой теме, хотя первая публикация появилась всего 8 лет назад. Ожидается, что именно этот минерал сможет совершить прорыв в индустрии солнечных панелей, которая, по данным IHS Markit, оценивается в $42 млрд.
Перовскиты обладают кристаллической структурой, которая позволяет им эффективно впитывать свет. Кроме того, их можно смешивать с жидкостью и наносить на различные поверхности — от стекла до пластика — в виде спрея.
Изначально научное сообщество отнеслось к солнечными панелям на основе перовскитов с недоверием. Кремниевые солнечные батареи уже доказали свою хоть и умеренную, но эффективность, а уникальные свойства перовскитов еще не были доказаны. Однако уже в 2012 году КПД элементов на основе перовскитов составил 10% — на тот момент, это был рекордный показатель.
На сегодняшний день перовскитные модули достигают КПД в 21,7% в лабораторных условиях. И такого результата удалось достичь менее чем за 5 лет. При этом по данным ВЭФ, эффективность традиционных солнечных панелей на основе кремния не меняется уже 15 лет.
Ученые продолжают экспериментировать с технологией. В сентябре прошлого года инженеры из Федеральной политехнической школы Лозанны достигли показателя 21,6%, добавив в состав панелей рубидий. Ученые из Оксфордского и Стэнфордского университетов создали панели из двух слоев перовскитов с КПД 20,3%.
Однако по-настоящему изменить рынок солнечных панелей обещает Oxford Photovoltaics, которая разрабатывает тонкие фотоэлектрические пленки на основе перовскита. Модули можно будет печатать на любых поверхностях. Только за декабрь 2016 года компания привлекла дополнительное финансирование в размере $10 млн. Готовый продукт Oxford Photovoltaics обещает представить уже в конце этого года, а на рынке он появится к концу 2018.
Но прежде чем солнечный модуль можно будет наносить как спрей, ученым придется решить несколько проблем. Перовскиты должны стабильно функционировать во внешней среде в течение долгого времени — пока что такие модули быстро выходят из строя. Необходимо усовершенствовать процесс нанесения перовскитного состава так, чтобы он распределялся равномерно. В то же время разработчики кремниевых солнечных панелей продолжают совершенствовать технологии. Недавно ученый и бизнесмен Зенгронг Ши разработал новую легкую, гибкую и ультратонкую солнечную панель eArche, которая обладает на 80% меньшей массой, чем ее аналоги.
hightech.fm
Перовскитные солнечные элементы: особенности технологии и эффективность
Перовскитные солнечные элементы являются уникальным научным достижением. Благодаря ему в обозримом будущем появится возможность замены уже привычных панелей, основу которых составляет кремний. Минерал перовскит обеспечивает получение того же количества энергии, что и при использовании кремниевых батарей. Однако финансовые затраты, при производстве будут значительно меньше.
Сейчас учеными в разных странах ведется последовательная работа в плане совершенствования новой технологии. Существует международная группа специалистов, которые уже смогли установить серьезное достижение показателя КПД. Речь идет об элементах, имеющих обратный переход. Показатель напряжения одной ячейки был увеличен до одного вольта — причем, без повреждения хрупкого материала. И КПД солнечной батареи получился высоким — 20,9%. Это в разы повышает производительность новых элементов. Но обо всем по порядку.
Из истории перовскита: происхождение и перспективная альтернатива
Вещество перовскит было открыто более ста лет назад. Широкое же распространение стало получать только сейчас. На заре нынешнего столетия о нем уже говорили как о перспективном материале, который позволял бы изготавливать солнечные батареи более дешевыми и доступными для потребителей.
Другое название вещества — титанат кальция. Впервые его обнаружил геолог из Германии Густав Розе в 1839 году, в уральских месторождениях. Название минерал получил в честь графа Льва Алексеевича Перовского. Граф Перовский, кроме государственной деятельности на благо России, славился еще и тем, что коллекционировал редкие камни. Поэтому его имя и стало основой для названия нового вещества.
Раньше титанат кальция применялся в качестве диэлектрика, когда изготавливались керамические конденсаторы, имеющие большое количество слоев. Теперь его пытаются использовать с целью создания солнечных панелей, обладающих высокой эффективностью, так как он прекрасно поглощает световые частицы.
Известно, что уже привычные батареи из кремния имеют толщину в 180 мкрн. Перовскитная панель при показателе толщины всего в 1 мкрн вберет в себя столько же света, сколько кремниевая при 180-ти.
И кремний, и титанат кальция — оба полупроводники. Следовательно, очень хорошо осуществляют передачу электрического заряда под воздействием светового потока. Однако, что касается светового спектра, который преобразуется в электрическую энергию, у титаната кальция он значительно выше.
Поскольку сам перовскит стоит недорого, это позволит изготавливать элементы по более низкой цене, нежели кремний. А производимая электрическая энергия останется такой же.
Ученые утверждают, что если в будущем технология обработки титаната кальция станет более совершенной, это позволит производить перовскитные солнечные элементы уже для широкого круга потребителей. Сам производственный процесс со временем станет несложным, и цена на производство электрической энергии станет меньше во много раз.
Недостатки материала и выход из положения
Титанат кальция состоит из трех химических элементов:
кальция;
титана;
водорода.
В кристаллической решетке вещества они располагаются в определенном порядке и получили название перовскитных структур (ячеек). Они собирают свет и поглощают его внутри. Как уже было сказано, обходятся они недорого, легко «вписываются» в конструкцию солнечных панелей и не требуют установки дорогостоящего оборудования. Но когда эти структуры подвергаются сильному нагреву от Солнца, они становятся нестабильными. Это представляет собой серьезный недостаток, который нуждается в корректировке.
Путем долгих исследований и опытного производства международной группой ученых материал был реструктурирован. Его довели до определенной степени совершенства. Если говорить простым языком, из него удалось создать реальное инновационное вещество. Структура материала обрела нужную стабильность, не меняющуюся при нагревании.
Все это связано с технологией производства, которая позволила создать тандемные ячейки солнечных панелей, имеющих в основе не один, а два работающих вещества. Поскольку два материала позволяют панели собирать больше солнечного света, тандемные конструкции являются предпочтительнее стандартных.
В стандартных, как известно, ранее применялся только кремний. Теперь же, благодаря более совершенной структуре титаната кальция, в батареях могут успешно быть применены и он, и кремний — без риска получения короткого замыкания, которое возникало до того, как ученым удалось усовершенствовать перовскит.
Преимущества инновационных солнечных панелей
Итак, усовершенствованный титанат кальция позволяет создавать перовскитные солнечные элементы, которые обладают следующими преимуществами:
Неорганичность. Благодаря ей система получает достаточный уровень термостабильности. Панели меньше подвержены деградации вследствие теплового воздействия.
Более низкий уровень светопоглощения, который обеспечивает максимальную отдачу энергии вовне. В целях улучшения показателя производительности специалисты добавили в ячейки обычный марганец, и этот эксперимент также увенчался успехом.
Каждая панель снабжена электродами, переносящими ток с ячеистой структуры к внешним проводникам. Раньше электроды изготавливались из золота. Это, конечно, очень дорого, поэтому золото заменили на более дешевый, но не менее эффективный углерод, который можно просто нанести на элементы путем обыкновенной печати.
Дискуссия по поводу долговечности и дальнейшие перспективы
К сожалению, пока перовскитные солнечные батареи не могут быть долговечными. Срок службы их составляет не более года, максимум — двух лет, в то время как кремний может работать и до двадцати. Однако работа специалистов над усовершенствованием технологии производства этого ноу-хау продолжается.
Несмотря на то, что это только начало, уже идут серьезные разговоры о крупномасштабном производстве панелей данного типа. Кстати, впервые титанат кальция был применен при изготовлении ячеек элементов совсем недавно, в 2009 году. С того момента прошло еще совсем немного времени, а поскольку первые успешные результаты уже есть, дальнейшая перспектива вполне может обещать человечеству очень многое.
batteryk.com
Перовскитные солнечные батареи на замену кремнию
Использование энергии солнца, чрезвычайно мощного потенциала Вселенной, рассматривается учёными главной целью обеспечения Земли устойчивым энергоснабжением. Световая энергия преобразуется непосредственно в электричество при помощи уже изобретённых устройств — солнечных батарей. Сейчас (2018 год) большая часть солнечных панелей изготовлена на основе кремния. Элемент 14 группы – кремний, эффективно поглощает свет. Но производство кремниевых панелей обходится крайне дорого.
Перовскитная структура панелей
Учёные мира уже достаточно длительное время работают над альтернативой кремнию – изготовлением структуры панелей солнечных батарей из перовскита. Редкий минерал – титанат кальция (CaTiO3) – он же перовскит, содержит:
кальций,
титан,
кислород.
Все элементы распределяются в определенной молекулярной структуре. Материалы с подобной кристаллической структурой называются перовскитными структурами.
Выступая в качестве светособирающего активного слоя фотовольтаической панели, перовскитные структуры (perovskite solar cells) работают идеально. Эффективно поглощают свет солнца, но при этом обходятся производителям дешевле кремния.
Перовскитные фотовольтаические панели интегрируются в систему батарей достаточно легко и требуют относительно простого оборудования.
Так, перовскиты в фотовольтаике попросту растворяют растворителем и распыляют непосредственно на подложку.
Материалы, изготовленные из перовскитных структур, выглядят потенциально революционными устройствами солнечных элементов. Однако есть и серьезный недостаток: при нагревании отмечается нестабильность функционирования.
Технология производства совершенного перовскита
Не так давно перовскит стал целью исследований группы учёных OIST, возглавляемой профессором Ябином Ци (Yabing Qi). Представители Университета Окинавы разработали устройства, где используется совершенно новый материал перовскита.
Структура отличается стабильностью, эффективным действием и относительно дешевым производством. Похоже, японским специалистам удалось создать инновационный элемент фотоволтаических батарей завтрашнего дня. Разработка подробно опубликована на страницах журнала «Усовершенствованные энергетические материалы».
Созданный прототип имеет три ключевых особенности:
Новинка полностью неорганична – это важный момент, поскольку органические компоненты, как правило, показывают слабую термостабильность и деградируют под действием тепла. Поскольку солнечные элементы сильно греются на солнце, высокая стабильность тепла имеет решающее значение. Заменяя органические части неорганическими материалами, исследователи сделали перовскитные элементы более стабильными.
Полностью неорганические перовскитные фотовольтаические панели обладают более низким поглощением света, чем органическо-неорганические гибриды. В этом заключается вторая особенность. Исследователи OIST допировали созданные ячейки марганцем, чтобы улучшить производительность. Марганец изменяет кристаллическую структуру материала, повышает способность собирать свет.
Электроды конструкции панели, предназначенные переносить ток от ячеек на внешние проводники, сделаны из углерода. Обычно электроды делают золотыми. Углеродные электроды значительно дешевле. Их легче производить – по сути, просто напечатать непосредственно на солнечных элементах.
Между тем, учёным предстоит ещё решить ряд проблем, прежде чем перовскитные панели солнечных батарей приобретут коммерческую привлекательность, подобно кремниевым аналогам.
Проблема долговечности перовскита
Долговечность перовскитовых элементов ограничивается 1-2 годами, тогда как практика применения кремниевых аналогов показывает длительность работы до 20 лет.
Учёные продолжают работать над эффективностью и долговечностью новых ячеек. Попутно разрабатывается процесс изготовления в коммерческих масштабах.
Учитывая, насколько скоро эта технология развилась с момента появления перовскитного солнечного элемента (2009 год), будущее новых ячеек панелей солнечных батарей выглядит многообещающим.
На основе материалов: OIST
zetsila.ru
Перовскитные солнечные панели
Всемирный экономический форум признал солнечные элементы из перовскитов одной из 10 наиболее значимых технологий 2016 года.
Всемирный экономический форум признал солнечные элементы из перовскитов одной из 10 наиболее значимых технологий 2016 года. Ежегодно ученые со всего мира публикуют до 1500 научных работ по этой теме, хотя первая публикация появилась всего 8 лет назад. Ожидается, что именно этот минерал сможет совершить прорыв в индустрии солнечных панелей, которая, по данным IHS Markit, оценивается в $42 млрд.
Перовскиты обладают кристаллической структурой, которая позволяет им эффективно впитывать свет. Кроме того, их можно смешивать с жидкостью и наносить на различные поверхности — от стекла до пластика — в виде спрея.
Изначально научное сообщество отнеслось к солнечными панелям на основе перовскитов с недоверием. Кремниевые солнечные батареи уже доказали свою хоть и умеренную, но эффективность, а уникальные свойства перовскитов еще не были доказаны. Однако уже в 2012 году КПД элементов на основе перовскитов составил 10% — на тот момент, это был рекордный показатель.
На сегодняшний день перовскитные модули достигают КПД в 21,7%в лабораторных условиях. И такого результата удалось достичь менее чем за 5 лет. При этом по данным ВЭФ, эффективность традиционных солнечных панелей на основе кремния не меняется уже 15 лет.
Ученые продолжают экспериментировать с технологией. В сентябре прошлого года инженеры из Федеральной политехнической школы Лозанны достигли показателя 21,6%, добавив в состав панелей рубидий. Ученые из Оксфордского и Стэнфордского университетов создали панели из двух слоев перовскитов с КПД 20,3%.
Однако по-настоящему изменить рынок солнечных панелей обещает Oxford Photovoltaics, которая разрабатывает тонкие фотоэлектрические пленки на основе перовскита. Модули можно будет печатать на любых поверхностях. Только за декабрь 2016 года компания привлекла дополнительное финансирование в размере $10 млн. Готовый продукт Oxford Photovoltaics обещает представить уже в конце этого года, а на рынке он появится к концу 2018.
Но прежде чем солнечный модуль можно будет наносить как спрей, ученым придется решить несколько проблем. Перовскиты должны стабильно функционировать во внешней среде в течение долгого времени — пока что такие модули быстро выходят из строя. Необходимо усовершенствовать процесс нанесения перовскитного состава так, чтобы он распределялся равномерно. В то же время разработчики кремниевых солнечных панелей продолжают совершенствовать технологии. Недавно ученый и бизнесмен Зенгронг Ши разработал новую легкую, гибкую и ультратонкую солнечную панель eArche, которая обладает на 80% меньшей массой, чем ее аналоги. опубликовано econet.ru
Альтернативная энергетика: когда вместо окон — солнечные батареи
08:0010.01.2018
(обновлено: 14:46 10.01.2018)
1529310313
МОСКВА, 10 янв — РИА Новости. Последние годы СМИ нередко публикуют новости о солнечных батареях из перовскита, которые хоть пока и уступают кремниевым по эффективности, но более дешевые, и потому у них неплохие перспективы в сфере ЖКХ. В России разработку перовскитовых фотоэлементов поддерживают на государственном уровне.
Перовскит — так называется минерал, открытый еще в начале позапрошлого века в Уральских горах. В природе это титанат кальция, содержашийся в горных породах, претерпевших воздействие огромных температур и давления. Перовскит привлек внимание ученых своей необычной кристаллической структурой в виде неправильного куба, присущей различным соединениям с полупроводниковыми свойствами.
Структура перовскита напоминает неправильный куб
Для создания фотоэлемента достаточно тонкого слоя материала со структурой перовскита. Чтобы ее получить, иодид свинца и металлоорганический иодид растворяют в диметилформамиде и наносят на подложку, например, из органического полимера. Затем структуру отжигают при температуре 90-110 градусов Цельсия, — так происходит формирование поликристаллической пленки из перовскитных молекул. В результате получаются гибкие полупрозрачные панели. Создать такие из кремния невозможно.
Скачущие электроны
В фотовольтаическом элементе фотопроводящий слой перовскита зажат между слоями еще двух полупроводников, например, из оксида металла и органического полимера, служащих для транспортировки носителей заряда. У электронов в атомах (в частности, входящих в состав полупроводника) разная энергия, и на основании этого их можно разделить по уровням. В физике рассматриваются три верхних уровня, в пределах которых и происходит движение носителей заряда. Нижний уровень, валентная зона, полностью заполнен электронами. Там они почти не способны двигаться — зажаты, как пассажиры в автобусе в час пик. Следующий энергетический уровень для них запрещен законами природы: электроны способны только прыгнуть через него и оказаться в зоне проводимости. Но где взять энергию? Для этого и нужен солнечный свет, то есть поток фотонов. Они как бы толкают электроны, придавая им силы прыгнуть "выше". На месте, где были электроны, остаются положительные носители заряда, называемые дырками.
Электроны совершают прыжок в зону проводимости, получив энергию
В зоне проводимости электроны становятся свободными и могут двигаться из одного слоя фотоэлемента в другой, избавляясь от избытка энергии. Свободные электроны через слой одного полупроводника направляются к катоду, а дырки через слой другого полупроводника устремляются к аноду, и процесс повторяется заново. Эти дополнительные слои полупроводников выполняют роль своеобразных приемщиков носителей заряда, более эффективно разводя их к электродам.
В солнечных батареях на перовските используют еще два материала с разным типом проводимости
Почему перовскит еще не завоевал мир
"Рекордная эффективность (коэффициент полезного действия) кремниевых батарей составляет сегодня 26,6 процента. Исследователи достигли той же конкурентоспособной величины в устройствах с использованием нового материала в 22,7 процента. Однако следует учитывать, что с кремнием физики работают уже полвека, а вот перовскит изучают всего около девяти лет. Думаю, дальнейший рост эффективности — это вопрос самого ближайшего времени при современном уровне развития химии, полупроводниковой электроники, и интенсивности исследований в данной области", — рассказывает Данила Саранин, сотрудник научно-образовательного центра "Энергоэффективность" НИТУ "МИСиС".
Главный недостаток солнечных батарей на перовските заключается в том, что под воздействием фотонов атомы между слоями начинают "путешествовать", из-за чего в структуре возникают дефекты. Со временем устройство теряет эффективность. Пока наилучший результат по сохранению коэффициента полезного действия для элемента на перовските — 13 процентов за год работы.
Ждем энергоэффективных зданий
Ученые полагают, что перовскитовые солнечные панели лучше подходят для бытовых целей, чем кремниевые, за счет того, что они полупрозрачны. Их можно даже разместить в окне вместо стекла. Такая солнечная батарея прозрачна из-за малой толщины, составляющей порядка сотен и даже десятков нанометров.
Греф поспорил с Чубайсом о будущем солнечной и ветряной энергетики в России
Учитывая открывающиеся перед перовскитом перспективы, в программу Евросоюза Zero Energy Buildings (что можно перевести как "Здания с нулевым потреблением энергии") включили "оклеивание" архитектурных сооружений солнечными батареями на основе этого необычного материала.
Аналогичную задачу решают ученые в НИТУ "МИСиС", чей проект "Широкоформатные полупрозрачные солнечные панели c использованием стабильных перовскитных архитектур" поддержан мегагрантом Минобрнауки. Руководить работами пригласили иностранного специалиста Альдо ди Карло, профессора кафедры оптоэлектроники и наноэлектроники Римского университета Тор Вергата.
"Наша цель — создание дешевых, гибких и производительных солнечных батарей, которые можно встраивать в фасады зданий или окна. Для начала надо научиться изготавливать крупные устройства, соответствующие масштабам зданий. Параллельно мы будем решать комплексную задачу по подбору новых материалов для эффективных перовскитовых солнечных батарей, стабилизировать существующие соединения, исследовать их свойства как теоретически, так и экспериментально", — делится дальнейшими планами Саранин.
На сегодняшний день нашим физикам удалось уменьшить деградацию одного из полупроводников, входящих в перовскитовый фотоэлемент, и сконструировать с его помощью экспериментальную солнечную батарею, которая показала среднюю эффективность почти за год 15 процентов.
Солнечная панель с пленкой из галогенида перовскита 
Минерал перовскит
Солнечная ячейка на базе тонкопленочного пероксита
Нитевидная структура перовскита
Солнечная перовскитная панель
Ученые утверждают, что если в будущем технология обработки титаната кальция станет более совершенной, это позволит производить перовскитные солнечные элементы уже для широкого круга потребителей. Сам производственный процесс со временем станет несложным, и цена на производство электрической энергии станет меньше во много раз.
Греф поспорил с Чубайсом о будущем солнечной и ветряной энергетики в России 
