Подпишитесь на наш телеграмм канал про спорт и заработок

В США испытали первые перовскитные солнечные элементы, способные работать 30 лет без замены

Ученые из Princeton Engineering разработали первый перовскитовый солнечный элемент с коммерчески жизнеспособным сроком службы, что стало важной вехой для нового класса технологий возобновляемой энергии. Исследовательская группа прогнозирует, что их устройство может работать выше отраслевых стандартов в течение 30 лет, что намного больше, чем 20 лет, которые используются в качестве порога жизнеспособности солнечных элементов.

Устройство не только отличается высокой надежностью, но и соответствует общепринятым стандартам эффективности. Фактически, это первый в своем роде аккумулятор, способный конкурировать по производительности с элементами на основе кремния, которые доминировали на рынке с момента их появления в 1954 году.

Перовскиты — это полупроводники с особой кристаллической структурой, благодаря которой они хорошо подходят для солнечных батарей. Их можно производить при комнатной температуре, используя гораздо меньше энергии, чем кремний, что делает их производство более дешевым и экологичным. И в то время как кремний является жестким и непрозрачным, перовскиты можно сделать гибкими и прозрачными, распространяя солнечную энергию далеко за пределы культовых прямоугольных панелей. Но, в отличие от кремния, перовскиты очень хрупкие. Ранние перовскитные солнечные элементы (PSC), созданные в период с 2009 по 2012 год, работали всего несколько минут. Прогнозируемый срок службы нового устройства представляет собой пятикратное увеличение по сравнению с предыдущим рекордом, установленным более низким КПД PSC в 2017 году.

Команда Принстона под руководством Линн Лу, профессора инженерии Теодоры Д. и Уильяма Х. Уолтона, представила свое новое устройство и новый метод тестирования таких устройств в статье, опубликованной 16 июня 2022 г. в журнале Наука.

«Сегодня у нас может быть рекорд, но завтра придет кто-то другой с лучшим результатом. Самое интересное, что теперь у нас есть способ протестировать эти устройства и узнать, как они будут работать в долгосрочной перспективе».

Профессор Лу сказал, что рекордная конструкция подчеркнула длительный потенциал PSC, особенно как способ вывести технологию солнечных элементов за пределы кремния. Но она также указала не только на результаты заголовка, но и на новую технику ускоренного старения, разработанную ее командой, как на более глубокое значение работы.

Из-за общеизвестной хрупкости перовскитов долгосрочные испытания до сих пор не вызывали особого беспокойства. Но по мере того, как устройства становятся лучше и служат дольше, тестирование одной конструкции на другую будет иметь решающее значение для внедрения надежных и удобных для потребителя технологий.

Начало XXI века, как из рога изобилия, осыпало человечество новыми вариантами вроде бы давно известных материалов. Многие из них показали себя крайне перспективными: взять тот же графен, углеродные нанотрубки, а с 2012 года — и перовскиты. Их структура так необычна, что обещает им большое будущее и в солнечной энергетике и связи. Но, как и с предыдущими чудо-материалами, не все с ними складывается гладко. Похоже, «приручить» эти материалы будет сложнее, чем казалось.

Бежать, чтобы остаться на месте

Первый мощный всплеск интереса к перовскитам пришелся на 2012 год. Тогда несколько работ показали, что они могут преобразовывать солнечный свет в электроэнергию с КПД, близким к кремниевым солнечным батареям того времени.

В 2013 году журнал Science даже включил перовскиты в список десяти прорывов года: «Перовскиты дешевы, просты в производстве и уже сейчас преобразовывают 15 процентов энергии солнечного света в электричество». Автор статьи писал, что хотя это и ниже, чем у серийных кремниевых, материал-новичок быстро совершенствуется.

С тех пор минуло семь лет, но ситуация слабо изменилась. Новый класс материалов совершенствуется, но традиционная кремниевая фотовольтаика все еще лучше — потому что тоже продолжает развиваться. Тем не менее, большинство исследователей, занимающихся перовскитами, уверены, что их потенциал выше, чем у классических кремниевых солнечных батарей. Правы ли они? И когда эти теоретические преимущества превратятся в практические?

Чем хороши перовскиты

«Классический» перовскит — это CaTiO3 кристаллы которого имеют псевдокубическую (нарушенную кубическую) структуру. Однако тем же именем принято называть и другие материалы с такой же структурой. Сам титанат кальция состоит из атомов трех типов: А (атомы кальция), В (титана) и Х (иногда их называют С, атомы кислорода). Причем А находится в центре псевдокубических структур, В — в угловых узлах псевдокуба, а С образуют вокруг В восьмигранники, на шести вершинах которых находятся как раз по шесть атомов кислорода.

В этой стандартной структуре практически любой из атомов обычной схемы ABX3 может быть заменен на относительно сходный по свойствам. И структура в целом при этом сохранится. При этом А — всегда большой катион (положительно заряженный ион), В — всегда катион меньшего размера чем А, а Х — всегда анион (отрицательно заряженный ион). Даже среди природных минералов часто встречаются те, в которых А был не кальцием, а, например, церием, да и В — не титаном, а ниобием или танталом.

В природе перовскитоподобные по структуре соединения очень распространены, но видим мы их редко. Это потому, что самые «массовые» из них находятся в мантии Земли, как, например, (Mg,Fe)SiO3 считающийся одним из самых распространенных соединений нашей планеты. Важно понимать, что катионы А или В могут быть заменены на свой аналог не целиком, а лишь частично: в части молекул будет один катион А, а в части — другой. Тогда такой компонент перовскитоподобного минерала пишется в скобках через запятую, как магний и железо в (Mg, Fe)SiO3

Специфическая пространственная структура кристаллов перовскита дает им массу необычных свойств. Например, такая структура у оксида иттрия-бария-меди — высокотемпературного сверхпроводника, сохраняющего свои свойства даже при 77 кельвинах, то есть при температуре жидкого азота. Считается, что вещества c такой структурой — одни из наиболее перспективных сверхпроводников будущего. Другая важная область применения подобных материалов — создание из перовскитов рабочих сред лазеров.

Наиболее значимой зоной использования перовскитоподобных (далее мы будем называть их, как принято в этой области, просто перовскитными, хотя их состав сильно отходит от «базового» перовскита) материалов сейчас считается солнечная энергетика. Причины просты: КПД таких материалов к 2020 году взлетел до 25,2 процентов — и это для однослойных фотоэлементов. Лучшие серийные кремниевые солнечные батареи имеют КПД в те же 25 процентов. Тут перовскиты догнали своего основного конкурента.

Есть у перовскитов здесь и преимущество, недоступное обычным кремниевым панелям: слегка изменяя состав слоев такого материала, можно сдвинуть ширину его запрещенной зоны — такого значения энергии электрона, которой он в данном материале иметь не может. За счет этого такие слегка отличающиеся друг от друга перовскиты будут чувствительны к несколько разным длинам световых волн. Считается, что перовскитная пленка толщиной всего в 500 нанометров может содержать достаточно слоев, чтобы эффективно генерировать электричество сразу от всех участков видимого диапазона. Поэтому на их основе легко создать двух- и более многослойные материалы с КПД выше, чем у кремния.

Чисто кремниевые фотоэлементы такого результата не покажут, многослойность там возможна (скажем, поверх монокристаллического кремния можно наложить слой аморфного), но она куда меньше поднимает их КПД. Наращивать толщину активного слоя солнечной батареи из чистого кремния до 500 нанометров не имеет смысла: идентичная запрещенная зона будет означать, что световые волны нужной длины поглотятся внешними слоями и не достигнут более нижних.

Другая положительная особенность перовскитных фотоэлементов: их можно получить простым осаждением из раствора, примерно как печатаемые буквы в струйном принтере. Это большой плюс на фоне кремниевых батарей, требующих сверхчистого кремния, вакуумных камер и очень непростого процесса его осаждения на подложку.

Наряду с такими очевидными достоинствами типичные перовскитные фотоэлементы имеют и серьезные недостатки. Самый популярный в перовскитной фотовольтаике тип соединений — йодид свинца-метиламмония с общей формулой CH3NH3PbX3 где X, как правило, йод или бром/хлор. При контакте такого соединения с водой и кислородом, а также при периодическом нагреве, оно может быть химически нестабильным и быстро деградировать с разрушением своей структуры. Для ее стабильности опасен и остаточный слой йодида свинца, остающийся рядом с конечными кристаллами перовскита после окончания процесса его получения (цикла осаждения).

Стабильность — настоящее проклятие подобных фотоэлементов. Современные кремниевые солнечные батареи теряют примерно 0,5 процента мощности за год работы, а для йодида свинца-метиламмония не так давно прорывным считалась потеря всего 10 процентов мощности за два месяца работы. Ясно, что для реальной энергетики такой ресурс недостаточен. К тому же утилизация содержащих свинец фотоэлементов — заметная экологическая проблема. Металла там достаточно, чтобы его утечка в грунтовые воды грозила отравлениями, но не так много, как в автомобильном аккумуляторе. Поэтому не факт, что утилизация таких батарей станет экономически выгодной.

Читайте еще:  QIP Infium - всегда на связи

Многочисленные попытки решить проблему за счет лучшей изоляции перовскита то углеродными нанотрубками, то полимерами, то металл-оксидным слоем повышали ресурс, но недостаточно высоко. А вот стоимость и сложность производства от таких модификаций неизменно росли.

В тех случаях, когда новые подходы позволяли резко поднять ресурс перовскитных солнечных батарей, возникала иная сложность: КПД подобных структур оказывался недостаточным.

Без свинцовой тяжести

Логичной выглядит попытка найти такие перовскиты, которые не использовали бы свинец: это закрыло бы проблемы и с токсичностью, и с низкой стабильностью работы подобных фотоэлементов. Именно такую работу провела группа исследователей во главе с Рафаэлем Луке из Университета Кордобы и Российского университета дружбы народов (РУДН). Ученые попробовали создать двойные перовскиты на основе цезия, метиламмония висмута, серебра, сурьмы и бария: Cs2AgBiBr6 (CH3NH32TlBiBr6 и Cs2AgSbBr6

Двойными называют такие перовскиты, у которых атомы А или В занимают два разных материала. Если речь идет об элементе А, то общая формула материала получает два типа катионов А (например, A′A′′B2O6 а если об элементе B, то — два В (например, A2B′B′′O6 Обычно преимущество таких материалов заключается в их высокой химической стабильности. Все три соединения из предыдущего абзаца имеют общую формулу A2BB′X6 то есть у них сразу два типа В-катионов — либо серебро и висмут, либо титан и висмут, либо серебро и сурьма.

Подобные структуры — двойные перовскиты, в том числе с содержание цезия — и раньше попадали в поле зрения ученых. Было очевидно, что стабильность их должна быть заметно выше «свинцовых» аналогов. Как отмечают в своей работе авторы группы, куда входил и Луке, как эти, так и некоторые другие соединения с перовскитной структурой даже предсказывались как теоретически перспективные в солнечной энергетике.

Однако на этом пути была проблема: практически создать их стандартным путем химического синтеза не удавалось. Обычная техника такого рода требует «мокрой» химии: смешивания ряда исходных компонентов в растворе с последующей кристаллизацией перовскитоподобных структур на дне емкости.

Но, если попробовать по такой методике получить соединения, где на месте катионов кальция будет цезий, то целый ряд побочных продуктов, нужных для синтеза реакций, заблокирует процесс образования «цезиевых» перовскитов.

В комментарии для N+1 Рафаэль Луке отметил, что для таких сложных случаев лучше всего подходит механохимический подход к синтезу. Вместо того, чтобы нагревать исходные соединения, их начинают перемалывать в барабанно-шаровой мельнице. При скорости вращения барабанной части мельницы более 1000 оборотов в минуту энергия, воздействующая на исходные компоненты — тот же цезий, серебро и остальные, настолько велика, что они начинают вступать в химические реакции друг с другом, даже несмотря то, что общая температура порошка остается относительно невысокой. Способствует этому резкое увеличение соотношения площади поверхности частиц исходных компонентов к их массе — чем это соотношение выше, тем проще им вступить в реакции между собой. Исследователь также высоко оценивает и оперативность метода: он позволяет получать порошок нужного перовскита за считанные минуты без долгого ожидания завершения синтеза, как это иной раз случается в растворах.

Луке особо подчеркивает, что это «простой метод», не требующий не только использования органических растворителей для синтеза нужных перовскитов, но и «не подвергающий их действию высоких температур». Это важно: очень часто нужные соединения образуются только при сотнях градусов Цельсия, в то время как перовскитные структуры при повышенной температуре недостаточно стабильны и могут начать деградировать еще в ходе синтеза.

Возникает вопрос: если в результате механохимического синтеза образуется порошок, то как из него затем производить сам фотоэлемент? По словам Луке, «эти порошки могут быть легко превращены в фотоэлементные пленки за счет использования процессов растворения и осаждения». Как он отмечает, это классические методы получения перовскитных пленок, и в этой области нет каких-то подводных камней.

Двойные перовскиты, действительно, могут существенно поднять стабильность фотоэлементов нового типа. Но все же пока отрасль находится в поисках идеального двойного перовскита: цезий имеет довольно высокую цену, как, собственно, и серебро. Именно поэтому для демонстрации возможностей механохимческого подхода к синтезу двойных перовскитов авторы работы включили в список полученных ими соединений и те, у которых в роли катиона А выступает метиламмоний: (CH3NH32TlBiBr6

Из-за малой толщины (сотни нанометров) перовскитных фотоэлементов сама по себе высокая стоимость компонентов здесь не является непреодолимым препятствием. В долгосрочном плане важнее стабильность соединения и его малотоксичность.

Как ни странно, здесь определенные преимущества есть скорее у цезия, чем у метиламмония. Хотя после Чернобыля многие инстинктивно воспринимают слово «цезий» как синоним опасности, на деле обычные изотопы цезия малотоксичны. В крови, мышцах, сердце и печени его относительно много, и тем не менее он не наносит вреда (хотя и биологическая роль его там не вполне понятна).

Что важно — в отличие от метиламмония он весьма устойчив даже в условиях повышенной влажности. Двойные перовскиты «на цезии» стабильны, и потеря ими этого металла с его утечкой в окружающую среду весьма проблематична. Авторы работы с помощью рентгеновского излучения тщательно отслеживали изменения в структуре полученных ими порошков двойных перовскитов. Они не смогли зафиксировать в них никаких изменений на протяжении нескольких месяцев — несмотря на комнатную температуру и влажность, типичную для обычного воздуха. Учитывая, что в солнечной батарее перовскитная пленка защищена стеклом, фактическая «полевая» стабильность новых соединений в ней должна быть еще выше.

Союз со старым соперником

Помимо заметного упрощения синтеза стабильных двойных перовскитов, в том числе за счет использовании механохимического подхода, у нового материала для солнечной энергетики есть еще один потенциальный союзник. Как ни странно, это все тот же кремний, который перовскиты надеются потеснить из обычных серийных фотоэлементов.

Дело в том, что кремний достаточно дешев и при этом показывает относительно высокий КПД. И здесь может быть выгодно «скрестить» его с перовскитами. За счет возможности их «гибкой настройки» (замены части катионов), они могут расширить диапазон используемого таким гибридным фотоэлементом солнечного излучения.

В 2018 году группа исследователей из стартапа Oxford Photovoltaics применила монокристаллический кремний как основу для солнечной батареи, а затем покрыла его перовскитом. Хотя КПД монокристаллического кремниевого фотоэлемента сам по себе не превышает 23-24 процента, в комбинации с перовскитом он достиг 28 процентов — рекордной величины.

Как ни странно, в современной солнечной энергетике цена фотоэлемента часто не так важна, как его эффективность. За последние десять лет цена их упала во много раз. Поэтому в стоимости киловатта установленной мощности солнечной электростанции более 50 процентов занимают поддерживающие конструкции, опоры, труд устанавливающих их рабочих и так далее — но не сами солнечные батареи. Добавив к кремниевым фотоэлементам еще более дешевый слой перовскитов, владелец гелиоэлектростанции не повысит существенно свои затраты. А вот рост КПД даже с 25 до 28 процентов означает рост выручки на 10-12 процентов.

Все это значит, что долгое «лабораторное» соперничество перовскитов и кремния в реальной жизни может обернуться их неожиданным, в силу кажущегося противостояния этих материалов, союзом. Случится ли он на практике — покажет ближайшее будущее.

Вещество, известное ученым уже более ста лет, только сегодня, в начале XXI века, оказалось весьма перспективным материалом для производства дешевых и эффективных солнечных элементов. Перовскит, или титанат кальция, впервые найденный в виде минерала немецким геологом Густавом Розе в Уральских горах еще в 1839 году, и названный в честь графа Льва Алексеевича Перовского, славного государственного деятеля и коллекционера минералов, героя Отечественной войны 1812 года, оказался наиболее подходящим претендентом на роль альтернативы кремнию в производстве солнечных батарей.

Читайте еще:  Звездные карты и виртуальный планетарий

Перовскит

Как вещество, титанат кальция до недавнего времени широко использовался лишь в качестве диэлектрика многослойных керамических конденсаторов. И вот теперь его пробуют применить для построения высокоэффективных солнечных батарей, поскольку выяснилось, что данный материал прекрасно абсорбирует свет.

Обычные, ставшие давно традиционными, кремниевые солнечные батареи при толщине в 180 микрон поглощают столько же света, сколько перовскит поглотит при толщине всего в 1 микрон. Перовскит так же как и кремний является полупроводником, и примерно так же эффективно передает электрический заряд под действием света, однако спектр преобразуемого в электричество света у перовскита шире, чем у кремния.

Структура кристаллического вещества титаната кальция идентична структуре минерала перовскита, потому и название у них одно и то же. И именно данное вещество находится сегодня на одном из лидирующих мест в рейтинге путей оптимизации для солнечной энергетики.

Все дело в том, что солнечные батареи на базе кремния стоят сегодня в среднем 75 центов за 1 кВт, а солнечные батареи на основе перовскита снизят их стоимость до 10-15 центов за 1 кВт, то есть технология солнечных батарей на перовските в 5-7 раз дешевле кремния как при производстве батарей, так и при их эксплуатации, а количество производимой электроэнергии такое же.

И это при том, что аналитики энергетической отрасли утверждают, что уже при стоимости в 50 центов за 1 кВт, солнечная энергия становится конкурентоспособной по отношению к ископаемому топливу. То есть переход на перовскит в глобальном масштабе снизит стоимость производства электроэнергии в разы, при этом процесс производства самих панелей будет очень простым.

Исследования по оценке и повышению эффективности солнечных элементов на основе перовскита ведутся во многих странах: в Австралии — Мартин Грин, в Швейцарии — Майкл Гретцель, в США — Генри Сайнт, Феликс Дешлер, Лиминг Дай, в Корее — Сок Санг Иль. Исследователи заявляют в один голос о дешевизне и высокой эффективности перспективной технологии.

Майкл Гретцель

Майкл Гретцель утверждает, что достигнутая им эффективность в 15% легко может быть увеличена до 25%, а недорогие солнечные элементы из ныне доступных не дотягивают до 15%. Впервые, в 2009 году, когда только заговорили о возможностях использования перовскита для солнечной энергетики, был получен КПД в 3,5%, и элементы были недолговечными, поскольку жидкий электролит растворял перовскит, и едва ученые успевали провести замеры, батарея прекращала работать.

Однако, спустя три года, жидкий электролит был заменен на твердый, и элементы стали более стойкими, а КПД сначала удвоился, а затем удвоился еще раз. Несколько электропроводящих слоев-подложек, на один из которых нанесли пигмент, решили проблему и открыли перспективу. Шаги по повышению эффективности не прекращаются и по сей день, ученые применяют в числе прочего и стандартные методы оптимизации, которые служили для улучшения кремниевых предшественников.

Майкл Гретцель уверен, КПД в 25% приведет к революции в солнечной энергетике. Профессор из Австралии, Мартин Грин, один из пионеров в исследованиях, утверждает, что бескремниевые батареи настолько просты в производстве и эффективны в эксплуатации, что однозначно есть уверенность — будущее у солнечных батарей на перовските светлое, ведь предварительные оценки уже пророчат колоссальное удешевление — в 7 раз.

Сок Санг Иль

Процесс изготовления перовскитовых солнечных элементов видится исследователям довольно простым. Жидкость просто разбрызгивается на поверхность или наносится в виде пара, что очень просто реализовать технологически. На металлическую фольгу или на стекло наносится несколько слоев материалов, один из которых — перовскит.

Другие материалы здесь нужны для того, чтобы способствовать перемещению электронов внутри элемента. Процесс изготовления приближен к идеалу. Физик из Оксфордского Университета, Генри Сайнт, занимающийся разработкой перовскитовых ячеек в США, уверен, что слои солнечной панели будут наноситься так же легко, как при обычной покраске какой-нибудь поверхности.

Создание дешевых солнечных батарей

Несмотря на открывающиеся перспективы, ученые разделились на два лагеря. Первые ратуют за совершенствование уже ставших традиционными, кремниевых батарей, другие — за создание совершенно новых, более эффективных. Так, Мартин Грин считает, что перовскит можно применить как дополнение к кремниевым батареям, совместив кремний с перовскитом, и таким образом снизить стоимость ватта получаемой электроэнергии без значительных убытков для кремниевой отрасли. Майкл Гретцель — напротив убежден, что важны новые разработки, и издержки на повышение эффективности новых фотоэлементов окупятся многократно.

Солнечные батареи из перовскита

Многие компании уже работают над коммерческим внедрением продукта, ведь несмотря на то, что возможности перовскита еще только начинают осознаваться, ведущие специалисты в области солнечной энергетики уже устремили свое внимание в будущее. Австралийские и Турецкие компании вместе активно подошли к коммерциализации перовскитовых солнечных батарей, и по прогнозам, уже к 2018 году они будут представлены на мировом рынке.

Несмотря на оптимизм некоторых компаний, опыт показывает, что обычно необходимо лет десять для выхода новой технологии из лаборатории на рынок, а за это время и кремниевые батареи вполне могут и обогнать перовскит. Гретцель, кстати, продает лицензию на новую технологию компаниям, которые намерены идти по традиционному пути кремния.

Конкуренция на рынке солнечной энергетики также высока, и каждый новый игрок сталкивается с ней. Стоимость кремниевых панелей снижается, и по мнению некоторых аналитиков, она может понизиться до 25 центов за 1 кВт, что полностью лишит преимуществ технологию перовскита.

Остается проблемой и наличие в пигменте небольшого количества свинца, который токсичен. Предстоят экспериментальные исследования, которые выявят, на сколько токсичным оказывается перовскит. Стоит уделить внимание и утилизации отработанных батарей, как это происходит с стартерными автомобильными аккумуляторами. Но в принципе, вместо свинца может быть использовано олово или нечто подобное.

Между тем, исследователи из Огайо, под руководством Лиминг Дай, взялись за электрификацию электрокаров с помощью солнечных панелей из перовскита. Они разработали наиболее выгодное, чем это было раньше, сочетание солнечных панелей с аккумуляторами электрических автомобилей.

Подключив четыре перовскитовых батареи к литиевому аккумулятору, ученые добились КПД 7,8% в наиболее эффективной на сегодняшний день конфигурации, которая превзошла былые решения по совмещению солнечных батарей с суперконденсаторами и аккумуляторами.

Такие системы, по мнению разработчиков, смогут в будущем не просто заряжать электрокары, но и будут установлены в виде гибкой пленки на кузовах. Технология представляется идеальной для электромобилей.

Солнечные батареи из дешевых материалов

Примечательна способность перовскита к переизлучению. Ученый из Кембриджского университета, Феликс Дешлер, обнаружил, что перовскит обладает уникальным свойством. Когда на материал попадает свет, энергия фотонов не просто преобразуется в электроэнергию, часть заряда обратно превращается в фотоны.

Если панель сможет повторно использовать эти фотоны, то собираемой энергии станет еще больше. Группа Дешлера провела эксперимент, в котором сконцентрировала луч лазера на срезе перовскита толщиной в 0,5 микрона, и свет переизлучался в другом месте образца. Кремний, например, не обладает способностью перемещать внутри себя энергию и вновь ее испускать.

Солнечные батареи из перовскита

Таким образом, перспективы у перовскита колоссальны, и кто знает, может быть не за горами те времена, когда каждый дом и каждый автомобиль будут оснащены перовскитовыми батареями, поскольку загрязнять окружающую среду продуктами сжигания ископаемого топлива станет уже экономически не выгодно и не целесообразно.

12 августа. Немецкие физики впервые отправили перовскитные солнечные батареи в космос и доказали, что они могут работать в подобных условиях. Более того: они и в космосе в десятки раз превзошли неорганические аналоги по соотношению эффективности и массы. Результаты экспериментов опубликовал научный журнал Joule.

«Первый полет наших перовскитных органических солнечных батарей в космос стал огромным шагом в их развитии. С одной стороны, это достижение показало, что их можно использовать в безвоздушном пространстве, а с другой оно потенциально расширит область их применения и на Земле», – рассказал один из авторов работы, профессор Мюнхенского технологического университета Петер Мюллер-Бушбаум.

Перовскиты – это гибкие и легкие полупроводниковые материалы с необычными свойствами и структурой. По устройству они похожи на природный минерал перовскит, который хорошо поглощает свет и превращает его в другие формы энергии.

Читайте еще:  Симулятор управления внеземной колонией Railgrade предложит выстроить сложную сеть железных дорог

У кремния и других полупроводников, которые могут поглощать свет, обычно симметричная кристаллическая структура. Поэтому когда частицы света «выбивают» из них электроны, то те могут двигаться внутри таких полупроводников в самые разные стороны. У перовскита же, напротив, структура более сложная. Она связана с тем, как внутри него расположены «кубы» из атомов металлов и восьмигранники из атомов кислорода.

Эти структуры особым образом взаимодействуют друг с другом, благодаря чему электроны внутри перовскитов двигаются только в одном направлении. Это значительно повышает КПД солнечных батарей на их основе: они преобразуют в электричество от 25 до 27% энергии света Солнца, что очень близко к теоретическому максимуму.

Батареи для полетов в дальний космос

Несмотря на все плюсы, перовскитные солнечные батареи еще никогда не использовали на борту космических кораблей или околоземных спутников. Поэтому ученые не могут точно сказать, насколько хорошо они переносят работу в безвоздушном пространстве и в открытом космосе. Там эти батареи постоянно будут находиться под космическими лучами и частицами солнечного ветра.

Физики из Германии закрыли этот пробел, проведя первые эксперименты с перовскитными солнечными батареями на борту исследовательской ракеты Mapheus 8. Ее запустили в космос в июне 2019 года. Тогда ракета поднялась на высоту в 240 километров от поверхности от Земли.

Помимо научной аппаратуры на борту Mapheus 8 было восемь перовскитных и других органических батарей, а также датчики, с помощью которых ученые следили за уровенм освещенности панелей, напряжением и силой производимого ими тока, а также за множеством других параметров.

Ученые отслеживали состояние фотоэлементов во время взлета ракеты, ее семиминутного полета в открытом космосе, а также после того, как она вошла обратно в плотные слои атмосферы. Результаты показали, что перовскиты пережили запуск в космос и постоянную бомбардировку частицами высоких энергий.

В среднем при высоком уровне освещенности они вырабатывали от 7 до 14 милливатт энергии на каждый квадратный сантиметр поверхности. Это в десятки раз больше, чем у обычных кремниевых солнечных батарей с учетом разницы в их массе. Вдобавок перовскитные солнечные батареи не переставали работать при уходе в тень той части корпуса ракеты, к которому они были прикреплены.

«Наши батареи хорошо поглощали не только прямой солнечный свет, но и рассеянное излучение. Это говорит о том, что подобные батареи можно будет устанавливать на космические аппараты, которые запускают в глубокий космос, где обычные солнечные батареи просто не работают. Это значительно расширит применение подобных источников питания при изучении и освоении космического пространства», – подытожил Мюллер-Бушбаум.

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.

  1. Из истории перовскита: происхождение и перспективная альтернатива
  2. Недостатки материала и выход из положения
  3. Преимущества инновационных солнечных панелей
  4. Дискуссия по поводу долговечности и дальнейшие перспективы

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.

Перовскит

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.

В лаборатории
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.

Строение панели

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.

Как вам статья?

Оцените статью
( Пока оценок нет )