Что такое перовскитовые фотоэлемнты?

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.

Взаимосвязь КПД с материалами и технологиями

Как работают солнечные батареи? По принципу свойств полупроводников. Свет, который падает на них, производит выбивание своими частицами электронов, находящихся на внешней орбите атомов. Большое количество электронов создает потенциал электрического тока — при замкнутых условиях цепи.

Чтобы обеспечить нормальный показатель мощности, одного модуля будет мало. Чем больше панелей, тем эффективней работа радиаторов, отдающих электроэнергию аккумуляторам, где она будет накапливаться. Именно по этой причине эффективность солнечных батарей зависит и от количества устанавливаемых модулей. Чем их больше, тем больше энергии Солнца они поглощают, а показатель мощности у них становится на порядок выше.

Можно ли повысить КПД батареи? Такие попытки были предприняты их создателями, и не один раз. Выходом из положения в будущем может стать производство элементов, состоящих из нескольких материалов и их слоев. Материалы следуют таким образом, чтобы модули могли вбирать в себя разные типы энергии.

Например, если одно вещество работает с УФ-спектром, а другое — с инфракрасным, КПД солнечных батарей в разы повышается. Если мыслить на уровне теории, то наивысшим коэффициентом полезного действия может стать показатель около 90%.

Также на КПД любой гелиосистемы большое влияние оказывает и разновидность кремния. Его атомы можно получить несколькими путями, и все панели, исходя из этого, делятся на три разновидности:

• монокристаллы;
• поликристаллы;
• элементы из аморфного кремния.

Из монокристаллов производят солнечные батареи, КПД которых составляет около 20%. Они стоят дорого, так как эффективность у них самая высокая. Поликристаллы по стоимости гораздо ниже, так как в данном случае качество их работы напрямую зависит от чистоты кремния, используемого при их изготовлении.

Элементы, в основе которых находится аморфный кремний, стали основой для производства тонкопленочных гибких солнечных панелей. Технология их изготовления гораздо проще, стоимость ниже, но и КПД меньше — не более 6%. Они быстро изнашиваются. Поэтому для улучшения срока их службы в них добавляются селен, галлий, индий.

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.

Коммерциализация

Эти технологии быстро коммерциализируются, особенно на фронте солнечных батарей. Британская компания Oxford Photovoltaics построила производственную линию и заполняет свои первые заказы на закупку в начале 2021 года. Польская компания Saule Technologies выпустила прототип продукции в конце 2018 года, в том числе пилотный проект перовскитного солнечного фасада. Китайский производитель Microquanta Semiconductor рассчитывает до конца года выпустить на своей производственной линии более 200 000 квадратных метров панелей. Американская компания Swift Solar является пионером в области высокопроизводительных систем ячеек с легкими, гибкими свойствами.

Между этими и другими компаниями наблюдается быстрый прогресс.

Цветные перовскитные светоизлучающие чернила, которые можно лить на тонкие пленки

И для освещения тоже

Для светодиодов перовскиты могут достигать фантастического качества цвета, что может привести к передовым гибким технологиям отображения. Перовскиты также могут дать более дешевое, более качественное белое освещение, чем современные коммерческие светодиоды, с «цветовой температурой», способной дать холодный или теплый белый свет или любой желаемый оттенок. Они также вызывают интерес в качестве строительных блоков для  будущих квантовых компьютеров, а также рентгеновских детекторов  для получения медицинских изображений с очень низкими дозами и систем безопасности.

Хотя первые продукты уже появляются, все еще существуют проблемы. Одним из ключевых вопросов является демонстрация долгосрочной стабильности. Но эти исследования многообещающи, и как только они будут разрешены, галогенидные перовскиты действительно смогут стимулировать трансформацию нашего производства и потребления энергии.

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:

• кальций — Ca; 
• титан — Ti; 
• кислород — O.

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.

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.

Нам нужно больше солнечной энергии

Спрос на более дешевую и экологичную электроэнергию означает, что энергетический ландшафт меняется быстрее, чем в любой другой момент истории. Это особенно верно в отношении солнечной энергии и аккумуляторных батарей. Стоимость обоих снизилась беспрецедентными темпами за последнее десятилетие, а энергоэффективные технологии, такие как светодиодное освещение, также расширились.

Доступ к дешевой и повсеместной солнечной энергии и хранилищам преобразует способ производства и использования энергии, позволяя электрифицировать транспортный сектор. Существует потенциал для новых химических экономик, в которых мы храним возобновляемые источники энергии в качестве топлива и поддерживаем новые устройства, составляющие «интернет вещей».

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.

Дефекты ячеек не являются проблемой

В отличие от обычных кремниевых ячеек, которые должны быть очень однородными для высокой эффективности, перовскитные пленки состоят из мозаичных «зерен» очень изменчивого размера (от нанометров до миллиметров) и химии — и все же они работают почти так же хорошо, как лучшие кремниевые ячейки сегодня. Более того, небольшие пятна или дефекты в пленках перовскита не приводят к значительным потерям мощности. Такие дефекты были бы катастрофическими для кремниевой панели или коммерческого светодиода.

Хотя ученые все еще пытаются понять это, эти материалы заставляют сообщество переписать учебник для того, что мы считаем идеальным полупроводником: они могут иметь очень хорошие оптические и электронные свойства, несмотря на – или, возможно, даже из–за беспорядка.

Свет, излучаемый мозаичными зернами в пленке перовскита

Можно было бы гипотетически использовать эти материалы, чтобы сделать «дизайнерские» цветные солнечные элементы, которые сливаются со зданиями или домами, или солнечные окна, которые выглядят как тонированные стекла, но генерируют энергию.

Пределы эффективности и снижения затрат

Но наши нынешние энергетические технологии не приведут нас к этому будущему: мы скоро достигнем пределов эффективности и затрат. Потенциал для будущего снижения стоимости электроэнергии от кремниевых солнечных батарей, например, ограничен. Изготовление каждой панели требует изрядного количества энергии, а заводы строить дорого. И хотя себестоимость производства можно немного сжать, в затратах на солнечную установку теперь доминируют дополнительные расходы — монтаж, электропроводка, электроника и так далее.

Рабочие на заводе китайского производителя солнечных батарей в Ханчжоу, Китай

Это означает, что нынешние солнечные энергетические системы вряд ли удовлетворят требуемую долю наших 30 тераватт (ТВт) глобальных потребностей в электроэнергии (сегодня они производят менее 1 ТВт) достаточно быстро, чтобы решить такие проблемы, как изменение климата.

Кроме того, наши современные технологии светодиодного освещения слишком дороги и недостаточно хороши для того, чтобы реально заменить традиционное освещение в достаточно короткие сроки. Это проблема, поскольку на освещение в настоящее время приходится 5% мировых выбросов углекислого газа. Чтобы заполнить этот пробел, необходимы новые технологии, причем быстро.

Виды солнечных фотоэлементов и их КПД

В основе функционирования солнечных панелей лежат свойства полупроводниковых элементов. Падающий на фотоэлектрические панели солнечный свет фотонами выбивает с внешней орбиты атомов электроны. Образовавшееся большое количество электронов обеспечивает электрический ток в замкнутой цепи. Одной или двух панелей для нормальной мощности недостаточно. Поэтому несколько штук объединяют в солнечные батареи. Для получения необходимого напряжения и мощности их подключают параллельно и последовательно. Большее число фотоэлементов дают большую площадь поглощения солнечной энергии и выдают большую мощность.

Фотоэлементы

Одним из направлений повышения КПД является создание многослойных панелей. Такие конструкции состоят из набора материалов, расположенных слоями. Подбор материалов осуществляется так, чтобы улавливались кванты различной энергии. Слой с одним материалом поглощает один вид энергии, со вторым – другой и так далее. В результате можно создавать солнечные батареи с высоким КПД. Теоретически такие многослойные панели могут обеспечить КПД до 87 процентов. Но это в теории, а на практике изготовление подобных модулей проблематично. К тому же они получаются очень дорогие.

На КПД гелиосистем также влияет тип кремния, используемого в фотоэлементах. В зависимости от получения атома кремния их можно разделить на 3 типа:

• Монокристаллические;
• Поликристаллические;
• Панели из аморфного кремния.

Панель из аморфного кремния

Из чего состоит перовскит?

Технически перовскит — это вид минерала, найденный  в Уральских горах в 1839 году,  и назван в честь Льва Перовского, который был основателем Русского географического общества. Настоящий перовскит (минерал) состоит из кальция, титана и кислорода в форме CaTiO3.

Минерал перовскит

Структура этого минерала настолько уникальна, что на ее основе из других химических элементов были созданы высокотемпературные сверхпроводящие материалы, ионные проводники, а также некоторые материалы, обладающие свойствами полупроводников. Поэтому когда мы говорим о перовскитовых солнечных элемента, следует понимать, что мы имеем ввиду солнечные элементы на основе перовскитовой структуры. Поскольку обычно используются различные элементы, объединенные в соответствующую структуру, а не минерал в чистом виде. Общая кристаллическая структура перовскита имеет форму ABX3.

Пример структуры солнечного элемента на основе перовскита

На сегодняшний день наиболее эффективные перовскитовые фотоэлементы изготовлены со следующей комбинацией материалов в соответствии со структурой ABX3:

• A = органический катион — метиламмоний (CH3NH3) +
• B = Большой неорганический катион — обычно свинец (II) (Pb2 +)
• X3 = анион галогена — обычно хлорид (Cl-) или иодид (I-)

Ученые постоянно эксперементируют над комбинацией элементов в структуре. Так, в начале 2018 года были представлены бессвинцовые элементы на основе титана, что позволяет уменьшить токсичность производства.

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.

Почему будущее за перовскитом

Основным и самым важным преимущество перовскитовых солнечных элементов является их дешевизна в сравнении с кремниевыми элементами. Солнечные батареи на базе кремния стоят сегодня в среднем 70 центов за 1 Вт, а солнечные батареи на основе перовскита могут снизить их стоимость до 10-15 центов за 1 Вт.

Кремниевые солнечные батареи при толщине в 180 микрон поглощают столько же света, сколько перовскит поглотит при толщине всего в 1 микрон. К тому же спектр преобразуемого в электричество света у перовскита шире, чем у кремния.

Еще одним преимуществом перовскитовых фотоэлементов является возможность применения их в качестве «чернил» для печати на различных поверхностях, в том числе на прозрачных покрытиях. Это дает большую гибкость и возможности для применения в солнечной энергетике.

К примеру, компания Oxford Photovoltaics ведет разработки «Спрея» который  превращает любую поверхность в фотоэлемент — это, наверное, самый завораживающий образ, связанный с применением перовскитов в фотоэлектрике.