Солнечные элементы с эффективностью выше 20% и низкой себестоимостью – перовскиты делают это возможным.
Термические, механико-химические и FRELP-процессы переработки используются для переработки кремниевых солнечных панелей, обычно используемых сегодня.
К сожалению, все эти методы еще далеко не позволяют назвать солнечные батареи полностью экологичным вариантом. Но эта ситуация вот-вот изменится, так как ученые придумали возможное решение. Это создание солнечных панелей из перерабатываемого перовскита.
Перовскиты являются одними из самых перспективных материалов для солнечных батарей: при их использовании высокая эффективность может сочетаться с низкой себестоимостью производства.
Что такое перовскит?
Перовскиты представляют собой большой класс материалов с кристаллической структурой, подобной минералу под названием перовскит (CaTiO3).
Их общая химическая формула ABX3, где A и B — катионы, а X — анион. Поэтому перовскиты предлагают большое количество возможных комбинаций химического состава и рассматриваются как материал для нового поколения солнечных элементов.
Исследования в области фотовольтаики сосредоточены на галогенидных перовскитах, которые содержат как органические, так и неорганические соединения и, следовательно, они считаются гибридными полупроводниками.
В 2009 году, когда была представлена первая технология солнечных батарей с использованием перовскита, это не была революционная технология, поскольку ее эффективность составляла всего около 4%.
Через четыре года за идею подхватили ученые из Оксфордского университета, которым удалось повысить КПД до 15%. К сожалению, это была еще почти половина того значения, которое нужно было достичь, чтобы можно было говорить о возможности сравнения с кремниевыми фотоэлементами.
Перовскит
Как делают солнечные батареи из перовскита
По сравнению с кремнием перовскит имеет то преимущество, что для создания перовскитной батареи достаточно его тонкого слоя.
Их можно легко изготовить из поваренной соли с помощью низкотемпературных процессов, таких как центрифугирование, и их можно превратить в чернила и напечатать на гибких подложках для формирования гибких солнечных элементов.
Для нанесения перовскита используется метод, при котором его слой напыляется с последующим отжигом. Его также можно применять с использованием вапоризации или двойной вапоризации.
Основным преимуществом при применении перовскита является то, что это простое и дешевое решение.
Этот материал также имеет высокий коэффициент поглощения, что означает, что он поглощает весь видимый солнечный спектр, соответсвенно, перовскитные фотоэлементы могут быть спроектированы так, чтобы поглощать солнечные волны более эффективно, чем фотоэлементы из кремния.
Таким образом, солнечные элементы из перовскитов могут стать намного тоньше, дешевле, эффективнее, легче и, прежде всего, они станут более экологичными.
В то время как производство обычных кремниевых элементов требует дорогостоящей лабораторной среды, где необходимо достичь высоких температур и вакуума, перовскит требует только использования химических веществ и, таким образом, гораздо менее требователен.
Интересный факт: 35 кг перовскита могут производить такое же количество энергии, как 7 тонн кремния.
Новейшие исследования и технологии
КПД преобразования солнечной энергии в электрическую обычно составляет около 20% (максимальное значение около 26%) для классических солнечных элементов на основе кристаллического кремния.
Основными причинами более низкой эффективности фотовольтаического преобразования являются потеря фотонов с энергией меньше ширины запрещенной зоны кремния (1,1 эВ) и термализация фотогенерированных носителей заряда. Из-за пропускания и тепловых потерь используется только часть спектра солнечного света.
В 2018 году компания Oxford Photovoltaics продемонстрировала демонстрационный солнечный элемент, в котором сочетаются кремний и перовскит. КПД этого устройства поднялся до 26,7%.
Еще лучшего результата добился проект китайской компании Microquanta Semiconductor. В 2019 году ее исследовательская группа установила рекорд эффективности преобразования 14,24% для полностью перовскитового солнечного модуля большой площади (200 x 800 см2).
В мае она объявила о мировом рекорде эффективности преобразования 20,2% на солнечной батарее «третьего поколения» площадью 20 см2.
Сообщается, что самый высокий КПД для солнечной батареи из перовскита компании Microquanta Semiconductor площадью 19,3 см2 составляет 24,1%.
Перовскитный фотоэлемент
Разработчики в основном обращают внимание на то, что перовскитные элементы до сих пор не приняты в основном из-за сниженного срока службы. По их словам, это произошло из-за использования дешевых и некачественных материалов.
Этот проект также получил субсидию Евросоюза по программе Horizon 2020 и предполагается, что поставляемые на рынок элементы должны иметь КПД не менее 22%.
Сравнение технологий фотоэлектрических элементов по КПД:
- Кремний - 15-20%
- Перовскит - 20-27%
В июне 2022 года два новых тандемных кремниево-перовскитных солнечных элемента, которые создали ученые из корейско-швейцарской исследовательской группы EPFL и CSEM, достигли КПД в 30%. Эти элементы показали стабильность работы в течение 450 часов.
Преимущества и недостатки перовскитовых ячеек
Свет состоит из волн разной длины. Перовскитные фотоэлементы реагируют на очень широкий спектр света и, таким образом, становятся более эффективными.
Будучи тоньше, они также обеспечивают большую гибкость формы, что делает их более пригодными для использования в архитектуре.
Также они легкие и более прозрачные, поэтому кроме структуры не должны нарушать эстетический вид здания.
В то же время они более доступны по цене, так как не так требовательны в производстве, как кремниевые элементы.
Однако противники технологии отмечают, что перовскитные фотоэлементы могут быть токсичными из-за присутствия свинца.
Достоинства перовскитовых ячеек:
- Гибкость и небольшой вес;
- Высокая производительность при слабом освещении;
- Индивидуальные формы и цвета;
- Экологически чистая обработка;
- Простое масштабирование.
Перовскитные солнечные элементы преобразуют большую часть падающего света непосредственно в электрический ток
Первые солнечные батареи по новой технологии
В 2020 году польская компания Saule Technologies выпустила на рынок первые солнечные батареи из перовскита. Ольга Малинкевич, соучредитель и технический директор компании, открыла и запатентовала метод печати перовскитом на гибкой фольге.
С тех пор Saule Technologies собрала международную команду ученых и инженеров для расширения возможностей перовскитной солнечной энергетики.
Впервые Saule Technologies продемонстрировала свою новаторскую фотоэлектрическую технологию на основе перовскитов на выставке Expo 2020 Dubai.
Посетители могли заряжать свои телефоны с помощью солнечной энергии от фотоэлектрической системы, встроенной в фасад. Благодаря технологии струйной печати тонкие и гибкие ячейки перовскита были встроены непосредственно во внешнюю стену павильона, что соответствовало его архитектурному стилю.
Система зарядки телефонов на выставке в Дубае
Система с общей номинальной мощностью 200 Вт обеспечивала зарядку смартфонов с использованием 8 USB-портов и карманов для телефонов, облегчающих хранение устройства во время зарядки.
Перовскитные элементы высокоэффективны как при естественном, так и при искусственном освещении, что делало эту зарядную зарядную станцию полезной и в вечерние часы.
Гибкие перовскитные фотогальванические устройства, производимые Saule, очень хорошо подходят для питания электронных устройств в условиях низкой освещенности внутри помещений, что делает их идеальным решением для различных приложений Интернета вещей (IoT).
Ближе к концу 2020 года свои перовскитные солнечные батареи продемонстрировала китайская компания Microquanta Semiconductor, а затем Oxford PV из Великобритании - дочерняя компания Оксфордского университета.
В компании Oxford PV трудится профессор Генри Снейт, получивший премию Беккереля за свою работу, подробно описывающую перовскитные солнечные батареи.
Интересный факт: Премия Беккереля присуждается личностям, внесшим значительный вклад в исследования в области науки, техники и, главным образом, в области солнечной энергетики.
Генри Снейт перевел свою лабораторию прямо из Оксфордского университета и задался целью создать экологически чистый, устойчивый и недорогой вариант фотоэлектрических панелей.
Ученые из Oxford PV добились рекордных результатов. Пока это технология, при которой на кремниевую основу наносится слой перовскита. Однако со временем разработчики рассчитывают, что кремниевый слой можно будет удалить полностью.
Согласно их пресс-релизу, Oxford PV ожидает, что к 2050 году их фотоэлектрические элементы смогут генерировать до 50% электроэнергии в мире.
В феврале 2022 года китайский производитель перовскитовых элементов Microquanta Semiconductor объявил в среду о начале строительства наземной солнечной электростанции мощностью 12 МВт в городе Цюйчжоу, провинция Чжэцзян.
В заявлении компании говорится, что этот объект станет первым в Китае солнечным проектом коммунального масштаба, в котором будут использоваться солнечные модули из перовскита.
Солнцезащитные жалюзи из перовскита
Мировая премьера солнцезащитной установки с перовскитными солнечными модулями состоялась в Люблине (Польша) 24 августа. Компания Saule Technologies запустила первую установку с фотогальваническими жалюзями – солнцезащитными экранами с перовскитными солнечными элементами.
Здание с фотоэлектрическими жалюзями
Эта первая в мире коммерческая реализация технологии перовскитных солнечных элементов стала результатом сотрудничества Saule Technologiesс заказчиком — компанией Aliplast.
Жалюзи-солнцезащитные шторки, представленные на премьере в Люблине, не только защищают здание от перегрева или охлаждения, значительно снижая затраты на кондиционирование и отопление. В то же время они производят чистую энергию от солнечного освещения.
Благодаря системе автоматизации Animeo от Somfy профили с перовскитовыми модулями взаимодействуют с метеостанцией, установленной на крышах. Используя данные о погоде в реальном времени и отслеживание солнца, они автоматически меняют свое положение в зависимости от движения солнца.
Это решение обеспечивает энергоэффективность объекта и гарантирует тепловой комфорт и защиту от слишком яркого света для пользователей здания – независимо от времени года.
В фотогальванике солнечные солнцезащитные жалюзи открывают новые рыночные возможности с огромным потенциалом роста: фасады зданий, там где традиционные кремниевые фотоэлементы, тяжелые и неэффективные при неоптимальном освещении, не выдерживают конкуренции.