Перейти к основному содержанию
x

Кристаллическая структура, обнаруженная почти 200 лет назад, может содержать ключ к популяризации солнечной энергетики

Исследователи солнечной энергии в Орегонском государственном университете рассказали о своей работе, посвященной материалу с кристаллической структурой, обнаруженному почти два столетия назад - перовскиту. Перовскит, по мнению ученых, может стать основой для нового технологического этапа в области солнечной энергогенерации.

Не все перовскиты являются полупроводниками. Но те из них, которые основаны на металле и галогене, обладают огромным потенциалом в качестве фотоэлектрических элементов. Они могут быть намного дешевле, чем их кремниевые аналоги, которые пользуются большим спросом на рынке с 50-х годов прошлого века. Исследователи говорят о том, что когда-нибудь у них будет достаточно технологических возможностей для того, чтобы значительно увеличить долю ископаемого топлива в энергетическом секторе.

Джон Лабрам из Инженерного колледжа ОГУ является автором большого количества работ о стабильности перовскита, опубликованных в журналах «Communications Physics», «Journal of Physical Chemistry Letters» и «Science».

Исследование в области естественных наук, проведенное учеными из Оксфордского университета, показало, что молекулярная добавка - соль на основе органического соединения пиперидина - значительно улучшает долговечность солнечных элементов на основе перовскита. Результаты этих исследований расширяют понимание перспективного полупроводника, которое вытекает из открытия немецкого минералога Густава Розе. На Урале в 1839 году Густав Розе наткнулся на оксид кальция и титана с необычной кристаллической структурой и назвал его в честь русского дворянина Льва Перовского.

Перовскит в настоящее время относится к ряду материалов, которые находятся под пристальным внимание ученых по всему миру. Интерес к ним начал усиливаться в 2009 году после того, как японский ученый Цутому Миясака обнаружил, что некоторые перовскиты являются эффективными поглотителями света.

«Из-за своей низкой стоимости, солнечные энергоэлементы на основе перовскита способны сократить потребление ископаемого топлива и произвести революцию на энергетическом рынке», - отметил Лабрам.

«Однако одним из плохо изученных аспектов этого нового класса материалов является их стабильность при постоянном освещении, что является препятствием для коммерциализации». – добавил он.

За последние два года исследовательская группа Лабрама в «School of Electrical Engineering and Computer Science» (ведущая научно-исследовательская шведского Королевского технологического института) создала уникальный экспериментальный аппарат для изучения изменений проводимости солнечных материалов с течением времени.

«Совместно с Оксфордским университетом мы продемонстрировали, что нестабильность, вызванная светом, происходит в течение многих часов, даже в отсутствие электрического контакта», - подчеркнул Лабрам.

«Полученные данные помогают прояснить аналогичные результаты, наблюдаемые в солнечных элементах, и являются ключом к улучшению стабильности и коммерческой жизнеспособности солнечных элементов на основе перовскита», - отметил ученый.

Эффективность солнечного элемента определяется процентом мощности солнечного света, попадающего на него, который преобразуется в полезную электроэнергию. Семь десятилетий назад Bell Labs разработала первый практичный солнечный элемент. Он имел скромную, по сегодняшним меркам, эффективность в 6% и был дорогостоящим, но нашел свою нишу в питании спутников, запущенных в самом начале «космической гонки».

Со временем производственные затраты снизились, а эффективность возросла, хотя большинство элементов не сильно изменились - они по-прежнему состоят из двух слоев почти чистого кремния, легированных добавкой. Поглощая свет, они используют энергию от него, чтобы создать электрический ток через соединение слоев.

В 2012 году один из сотрудников Labram, Генри Снейт из Оксфорда, сделал прорывное открытие, доказав, что перовскиты могут использоваться в солнечных элементах не просто как сенсибилизатор, а даже в качестве основного компонента в энергетических солнечных элементах. Это привело к бурной исследовательской деятельности, сегодня ежегодно публикуется тысячи научных работ на эту тему. Спустя восемь лет активных исследований и разработок, ученые достигли 25% эффективности перовскитных ячеек, что делает их, по крайней мере в лабораторных условиях, экономически эквивалентными коммерческим кремниевыми ячейками.

Ячейки перовскита могут быть изготовлены из общедоступных промышленных химикатов и металлов, напечатаны на гибких пленках из пластика. Их массовое производство обойдется энергогенерирующим организациям относительно дешево. Кремниевые ячейки, в свою очередь, напротив, являются результатом дорогого высокотемпературного процесса.

Два основных недостатка перовскитов: низкая стабильность при повышении температуры и уязвимость к влаге - комбинация, которая может привести к разложению функциональных элементов. Такие недостатки – важнейшая проблема для оборудования, находящегося на открытом воздухе.

«В целом, чтобы иметь возможность продавать солнечные панели в США и Европе, требуется 25-летняя гарантия», - сказал Лабрам (в России данная цифра еще больше в силу климатических особенностей – прим. Редактора).

«На самом деле это означает, что солнечный элемент должен показывать не менее 80% своей первоначальной производительности через 25 лет службы. Современная технология -  кремниевые элементы - очень хорошо сохраняет первоначальные мощности с течением времени. Но кремниевый элемент требует дорогостоящего производственного процесса - температуру выше 2000 градусов Цельсия в контролируемых условиях -  чтобы сформировать идеальные, бездефектные кристаллы, которые будут функционировать должным образом», - подчеркнул ученый.

Лабрам также отметил устойчивость перовскитов к дефектам.

«Их можно положить в растворитель, а затем распечатать при температуре, близкой к комнатной», - сказал он. «Это означает, что в конечном итоге они могут быть произведены за «смешные» по сегодняшним меркам солнечной энергетики деньги, не идущие не в какое сравнение со стоимостью кремниевых аналогов. Однако, чтобы производство перовскитов обрело промышленные масштабы, они должны быть сертифицированы с 25-летней гарантией. Это требует от научного сообщества длительной работы над увеличением стабильность перовскитов», - заявил исследователь.

Одним из переходных этапов процесса перехода на новый материал является тандемная ячейка, изготовленная как из кремния, так и из перовскитов. Предположительно, такие бинарные смогут превратить больше солнечного спектра в энергию. Лабораторные тесты на тандемных клетках дали эффективность в 28%, а эффективность в 30-35% кажется более чем реалистичной.

«Тандемные элементы могут позволить производителям солнечных батарей достичь рекордной производительности на сегодняшнем этапе развития технологий», - сказал он.

Также исследователь обратил внимание на то, что бинарный подход может помочь устранить рыночные барьеры для перовскитов, привив производителям солнечных батарей понимание эффективности и экономической целесообразности работы с такого рода материалами.

Одним из наиболее интересных с точки зрения повседневного энергопотребления и энергогенерации примером использования перовскитов являются полупрозрачные пленки из этого материала, которые, будучи нанесенными на окна жилых, производственных, тепличных помещений, могут преобразовывать часть входящего солнечного света в электричество, не уменьшая при этом светопроводимость окон.

«Когда дело доходит до производства энергии, стоимость является наиболее важным фактором», - сказал Лабрам.

«Кремний и перовскиты в настоящее время демонстрируют примерно одинаковую эффективность. Однако в долгосрочной перспективе солнечные элементы на основе перовскита могут быть изготовлены крайне дешево» - подчеркнул ученый.

В условиях активной государственной политики по сохранению окружающей среды, деятельной позиции крупных компаний по реализации стратегии устойчивого развития и общего «экологического» настроения в обществе – достаточно разработать экологичные энергогенерирующие элементы, экономически целесообразные для всех заинтересованных сторон, а об остальном позаботится сам рынок.


Источник: «ScienceDaily»

Перевел: Марышев Павел

Фото: «Хайтек»