Перовскитовые солнечные батареи это

Солнечные батареи из перовскита

Перовскит (или титанат кальция) является одним из самых распространенных на земле минералов. Он был открыт немецкими геологами более 170 лет назад, и до последнего времени широко использовался преимущественно в качестве диэлектрика. Когда на свет появились первые солнечные батареи, перовскитные элементы для их создания не рассматривались. Причиной была невозможность добиться его длительной устойчивости при генерации энергии, что является сложной инженерной задачей даже сегодня.

Электротехнические свойства перовскита

Интерес к минералу, как потенциальному полупроводнику для фотоэлектрических систем, возник только в 21 веке, с появлением тонкопленочных технологий. Первые же эксперименты подтвердили, что передачу электрического заряда перовскитные солнечные элементы осуществляют ничуть не хуже «классики» из кремния. Но при этом удельное поглощение одного и того же количества излучения достигалось при толщине:

• кремниевой пластины – 180 мкм;
• перовскитной пленки – 1 мкм.

Причиной оказалась примерно во столько же раз большая эффективная ширина поглощающего спектра у неприметного минерала. Более того, добыча в промышленных масштабах титаната кальция дешевле, а его производство проще.

Почему же перовскитные солнечные панели уже сегодня не вытеснили с рынка кремний? Причина – в некоторых физико-технических особенностях этого природного материала.

Недостатки титаната кальция и поиски их устранения

Структурно молекула минерала CaTiO3 включает три химических элемента:

В кристаллической решетке они располагаются особенным образом, что диктует физико-химические свойства поведения материала при различных электрохимических реакциях.

Главной проблемой получения энергии из этого фантастически перспективного полупроводника является быстрая потеря стабильности его структуры под воздействием высокой температуры.

Устранить данный недостаток можно было только одним путем – перестроить расположение молекул внутри слоя вещества. Этот процесс идет до сих пор, и каждая новая модификация структуры становится все более стабильной, а солнечные перовскитные элементы – производительней.

Примерная динамика совершенствования фотоэлектрических ячеек на базе CaTiO3 выглядит следующим образом:

В процессе поиска оптимальных решений инженерами было найдено еще одно, компромиссное решение использования уникальных свойств титаната кальция. Так на свет появились тандемные фотоэлектрические батареи, в которых слой перовскита работал параллельно со слоем электроактивного силикона.

В опытных образцах 2021 года прототипы таких панелей показывали эффективность 26,3%, промышленных – 23-25%.

При этом структурная целостность без потери эксплуатационных характеристик по расчетам должна сохраняться от 3 до 5 лет. Что, при кратно более низкой цене производства, уже сделает перовскитные солнечные батареи очень серьезным конкурентом классики.

Преимущества инновационных панелей 3-го поколения

Наряду с фотовольтаикой на базе полимеров и органики, тонкопленочные перовскиты относят к третьему поколению гелио панелей. Для них характерен ряд важных достоинств.

1. Неорганическая структура. Отсутствие в составе органики кардинально улучшает термическую устойчивость ячеек, и, как следствие, снижает скорость их деградации.
2. Широкий спектр диапазона поглощения. Для еще большего повышения генерации последние модели панелей содержат в своем составе марганец.
3. Возможность использовать в роли электродов углерод вместо золота. Токопроводимость при переносе энергии с перовскитных ячеек на проводники это не уменьшило, но себестоимость пленок сократило значительно.
4. Высокая скорость и доступность оборудования для изготовления. Перовскитные солнечные панели сегодня можно напечатать на 3D-принтере среднего уровня. Более того, на выходе несложно получать целые рулоны пленки с возможностью их дальнейшей нарезки при сохранении эксплуатационных качеств каждого отрезка.
5. Экологическая чистота. Пленки на базе CaTiO3, в т.ч. гетероструктурные, не содержат в своем составе экологически опасные химические элементы. Это сильно упрощает процесс их последующей утилизации и не требует установки дорогостоящих улавливателей канцерогенов на стадии производства.

Решение проблемы долговечности за счет инкапсулирования

Долгое время специалистами велись яростные дискуссии относительно проблемы недолговечности перовскитных элементов. Вплоть до 2020 года считалось, что в ближайшем будущем повысить срок их эффективной службы более, чем до 1,5-2 лет, не удастся. Однако именно в этот году удалось открыть технологию инкакпсулирования – «сплошного» запечатывания ячеек из титаната кальция в специальную капсулу.

Для сохранения КПД панелей требовалось не просто создать единой целое из перовскитной «начинки» и внешнего сплошного покрытия. Последнее должно было представлять собой внешний слой «капсулы» с таким набором свойств:

• абсолютной влаго- и особенно термоустойчивостью;
• практически бесконечным сроком сохранения целостности, а также механической и химической прочности;
• предельно малым весом;
• максимальной прозрачностью.

Таким материалом стало сложное стеклянно-полимерное соединение, удовлетворяющее всем заданным свойствам. Претерпели изменения и сами перовскитные солнечные элементы. Теперь они состояли не из одного, а двух разновидностей модифицированного минерала, со сложными формулами Cs0.05FA0.8MA0.15Pb(I0.85Br0.15)3 и FA0.85MA0.15Pb(I0.85Br0.15)3.

Создателям тандема стала группа ученых из Нового Южного Уэльса (Австралия), а образцы на испытаниях показали следующие результаты, присущие обязательному стандарту IEC61215:2016:

• 1000 часов непрерывной работы при t= +85°C (новые панели продержались 1800 часов);
• 40 циклов суточных температурных перепадов от — 40°C до +85°C (имитация экстремальных условий) – новинка выдержала 75 циклов;
• сохранение не менее 90% КПД при каждом из испытаний.

Кроме того, солнечные панели из перовскита в капсулах из стеклополиизобутилена (PIB) продемонстрировали КПД свыше 25%.

Источник

Плюсы и минусы перовскитных солнечных элементов

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.

Источник

Российские учёные повысили эффективность перовскитных солнечных батарей

Научный коллектив НИТУ «МИСиС» вместе с итальянскими коллегами представил улучшенную версию солнечных батарей на основе перовскитов. В ходе исследования учёные выявили присадки (модификаторы), которые без заметных затрат и усложнения техпроцессов повышают КПД панелей и улучшают стабильность отдаваемой мощности.

Источник изображения: НИТУ «МИСиС»

Перовскит считается одним из самых перспективных материалов для солнечных панелей будущего. На его основе можно выпускать тончайшие многослойные солнечные элементы, которые можно наносить хоть на оконные стёкла, хоть на элементы архитектуры любой кривизны. При этом важно отметить, что панели на основе перовскита можно будет печатать струйным способом, избегая использования дорогих вакуумных установок и другого сложного промышленного оборудования.

Для повышения КПД перовскитных солнечных элементов исследователи подмешали в рабочий раствор для нанесения плёнок так называемые максены (MXenes). Максены — это тончайшие (фактически — двумерные) карбиды титана с высокой электропроводностью. Максены производятся путём травления и отшелушивания атомарно тонких слоёв предварительно нанесённого алюминия на слоистые шестиугольные карбиды и нитриды. Их производство довольно простое.

Созданные на основе предложенного состава фотоэлементы показали повышенные характеристики с эффективностью преобразования мощности, превышающей 19 %, что на 2 % больше мощности аналогов. Предложенный подход может быть легко масштабирован до формата модулей и панелей большой площади, поскольку легирование MXenes (максенами) не меняет технологическую цепочку производства и осуществляется только на первичном этапе создания растворов для нанесения.

Источник изображения: НИТУ «МИСиС»

«В работе мы демонстрируем полезную роль легирования MXenes как для фотоактивного слоя, так и для слоя переноса электронов в транспортных слоях фуллеренов перовскитных солнечных элементов на основе оксида никеля, — рассказала соавтор исследования, сотрудник лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ «МИСиС», аспирант Анастасия Якушева. — Добавление максенов позволяет, с одной стороны, легко настраивать выравнивание уровней энергии на границе перовскит/фуллерены, а с другой стороны, контролировать концентрацию дефектов в структуре ячейки, что, в свою очередь, улучшает сбор фототока».

Источник