В мире, где потребность в чистой и эффективной энергии становится все более насущной, перовскит – небольшой, но мощный кристаллический материал – может стать ключом к революционному прорыву в солнечной энергетике. Эта инновационная технология обещает не только повысить эффективность солнечных панелей, но и изменить способ их производства и использования.
Маленький кристалл с большими возможностями
Крошечная кристаллическая структура под названием перовскит имеет потенциал вызвать настоящую революцию в солнечной энергетике. В отличие от кремния, которому требуется энергоемкая добыча и очистка при температуре более тысячи градусов, перовскит можно легко синтезировать при температурах, близких к комнатной, что делает производство значительно менее энергоемким.
Перовскит – это не конкретный материал, а общий термин для определенной кристаллической структуры с формулой ABX3, где каждый компонент представляет собой определенный элемент или молекулу. Одной из самых распространенных комбинаций является метиламоний в положении A, металлический свинец в положении B, и йодид или хлорид в положении X, который формируется вокруг металла.
Эта структура обладает впечатляющей способностью поглощать солнечный свет и преобразовывать его в электрическую энергию. В то время как традиционные кремниевые солнечные элементы достигают эффективности лишь 20-25% (то есть лишь четверть солнечного света превращается в энергию), перовскитные элементы уже демонстрируют эффективность более 26%, а в тандемной конфигурации с кремнием - более 34%.
Как работают тандемные солнечные элементы
Тандемные солнечные элементы – это чрезвычайно перспективная разработка в области солнечной энергетики. Они представляют собой многослойную структуру, где различные материалы "сотрудничают", чтобы эффективнее улавливать солнечное излучение.
Профессор Айке Кьонен, эксперт из Института Гельмгольца в Берлине, объясняет принцип работы тандемных элементов: "Тандемные солнечные элементы гораздо лучше используют входящий свет. Есть солнечный спектр, и тандемные элементы распределяют этот спектр. Перовскитный солнечный элемент использует видимые волны – все, что мы можем увидеть глазом, превращается в перовскитном солнечном элементе в электрическую энергию. А инфракрасный свет проходит сквозь перовскит и обрабатывается уже в кремниевом солнечном элементе, который довольно эффективен для преобразования инфракрасного света. Итак, они делят спектр, и каждый элемент очень эффективен в своей части."
Благодаря такому разделению труда, тандемные элементы могут превращать примерно на 50% больше солнечного света в электрическую энергию по сравнению с обычными кремниевыми панелями. Ведущие компании и исследовательские институты активно работают над совершенствованием этой технологии.
Рекорды эффективности: гонка за "солнечным золотом"
Последние годы ознаменовались настоящей гонкой за повышение эффективности перовскитных и тандемных солнечных элементов. Каждый новый рекорд приближает эту технологию к широкому коммерческому использованию.
В сентябре 2024 года команда профессора Сюя из Университета науки и технологии Китая (USTC) установила новый мировой рекорд для перовскитных солнечных элементов с сертифицированной стабильной эффективностью 26,7%. Это уже третий подряд год, когда команда профессора Сюя обновляет мировой рекорд эффективности.
Еще более впечатляющие результаты демонстрируют тандемные солнечные элементы. В июне 2024 года китайская компания Longi установила мировой рекорд эффективности тандемных перовскит-кремниевых солнечных элементов – 34,6%, который был подтвержден Европейской установкой по тестированию солнечной энергии (ESTI) PV Magazine. Longi достигла этого результата путем оптимизации процесса осаждения тонкой пленки слоя переноса электронов, разработки и использования высокоэффективных материалов пассивации дефектов и разработки высококачественных структур межфазной пассивации.
Не отстает и компания Qcells, которая достигла эффективности 28,6% для тандемных солнечных элементов на полноплоскостном элементе типа M10, который может быть масштабирован для массового производства Qcells North America. Технология Qcells базируется на стекинге перовскитной верхней и кремниевой нижней ячеек, что улучшает производительность путем более эффективного улавливания высокоэнергетического света верхней ячейкой, тогда как низкоэнергетический свет передается и улавливается нижней ячейкой.
Слабое звено: битва с деградацией
Несмотря на впечатляющий прогресс, перовскитные солнечные элементы сталкиваются с серьезной проблемой – деградацией, что значительно ограничивает их срок службы. Исследователи обнаружили несколько механизмов деградации, включая химическую реакцию с влагой и кислородом, тепловую нестабильность, механические напряжения, и повреждения от УФ-излучения.
Кэролин Ульбриг из Института Гельмгольца, которая контролирует испытания тандемных солнечных элементов на деградацию, отмечает, что иногда эти элементы выходят из строя через несколько дней, но иногда работают годами. Ее команда зафиксировала потерю эффективности на 20% всего за полгода, тогда как кремниевым солнечным батареям нужно примерно 20 лет, чтобы достичь этого уровня деградации.
Однако научные прорывы обещают решение этой проблемы. Инженеры из Georgia Tech обнаружили, что деградация перовскита происходит из-за совместного воздействия воды и кислорода. Они продемонстрировали, что если предотвратить взаимодействие одного из этих компонентов с перовскитом, структура в значительной степени сохраняется. Исследователи успешно применили тонкое покрытие из фенетиламоний йодида (PEAI), которое отталкивает воду, для предотвращения деградации.
Ученые из Университета Surrey также сделали прорыв, показав, что оксид алюминия (Al₂O₃) может значительно продлить срок службы перовскитных солнечных элементов, потенциально увеличив его в десять раз.
Oxford PV, компания, основанная выпускниками Оксфордского университета, утверждает, что уже достигла эффективности почти 29% и решила проблемы деградации. Также компания QCells, как часть Европейского академического и промышленного партнерства, планирует разработать модули коммерческого размера с эффективностью 26% и сроком службы 30 лет.
От лаборатории до крыши: коммерциализация перовскитных технологий
Коммерциализация перовскитных и тандемных солнечных элементов активно разворачивается, и первые такие панели уже появляются на рынке.
В сентябре 2024 года Oxford PV объявила о первой в мире коммерческой поставке тандемных солнечных панелей из перовскита на кремнии американскому клиенту Oxford PV. 72-элементные панели, состоящие из собственных перовскит-на-кремнии солнечных элементов Oxford PV, могут производить до 20% больше энергии, чем стандартная кремниевая панель. Первые доступные на рынке панели Oxford PV имеют эффективность 24,5%, что значительно превышает традиционную кремниевую технологию.
Дэвид Уорд, генеральный директор Oxford PV, отметил: "Коммерциализация этой технологии – это прорыв для энергетической отрасли. Высокоэффективные технологии – это будущее солнечной индустрии, и это будущее начинается сейчас."
Однако стоимость остается важным фактором. Сейчас материалы для перовскитных солнечных элементов стоят примерно $250 за квадратный метр, тогда как кремниевые элементы имеют материальные затраты около $100 за квадратный метр. Несмотря на это, перовскитные элементы имеют значительный потенциал для снижения стоимости при масштабировании производства, особенно благодаря возможности использования технологии roll-to-roll с растворимыми чернилами.
По данным аналитической компании Cervicorn Consulting, глобальный рынок тандемных солнечных элементов, оцененный в $455,47 млн в 2024 году, как ожидается, достигнет примерно $9142,73 млн к 2034 году, растет со среднегодовым темпом прироста (CAGR) 34,98% в течение прогнозируемого периода 2025-2034 Cervicorn Consulting.
Будущее солнечной энергетики: перовскитные горизонты
Технологические тренды указывают на светлое будущее для перовскитных и тандемных солнечных элементов. Ожидается дальнейшее повышение эффективности, разработка двумерных и четырехмерных конструкций, принятие бифациальных и гибких дизайнов, а также исследование передовых комбинаций материалов.
Дженни Чейз, аналитик рынка солнечной энергии из Bloomberg NEF, подчеркивает, что для успеха перовскита он должен быть дешевле, чем обычный кристаллизованный кремний в расчете на ватт электроэнергии. По ее словам, компания, которая решит вопрос затрат и надежной работы солнечных элементов, заработает много денег.
Oxford PV планирует в ближайшие годы направить производство со своего объекта в Бранденбурге-на-Гавеле, Германия, на дополнительных коммунальных клиентов, специализированные продукты и пилотные жилые применения, одновременно масштабируя производство до гигаваттного масштаба на будущей высокообъемной производственной площадке.
Солнечные тандемные элементы имеют большой потенциал, но есть еще много аспектов, которые должны стать на свои места, чтобы все заработало в полной мере. Oxford PV уверяет, что вместе с партнерами уже вскоре сможет поставлять новые модули, а солнечные парки с тандемными элементами появятся в 2026 или в 2027 году.
На пороге солнечной трансформации
Перовскитные и тандемные солнечные элементы стоят на пороге трансформации глобальной солнечной энергетики. Существенно выше эффективность, потенциально более низкая стоимость производства и возможность гибкой интеграции открывают широкие перспективы для этой технологии.
Несмотря на значительные вызовы, связанные с деградацией и стабильностью, научные прорывы в решении этих проблем, такие как разработка специальных покрытий и оптимизация состава перовскита, дают основания для оптимизма. Первые коммерческие применения от компаний Oxford PV, QCells и других уже демонстрируют потенциал технологии.
С ростом глобального рынка тандемных солнечных элементов с прогнозируемым CAGR почти 35% на следующее десятилетие, мы можем ожидать, что к 2030-м годам эта технология станет важной частью мирового энергетического ландшафта, ускоряя переход к чистым источникам энергии.
Хотя полное коммерческое внедрение перовскитных и тандемных солнечных элементов все еще требует времени, значительные инвестиции и прогресс от ведущих компаний и исследовательских институтов свидетельствуют, что эта революционная технология уверенно шагает от лабораторий к реальному миру, готовясь изменить лицо глобальной солнечной энергетики.
Источник: YouTube
