У світі, де потреба в чистій та ефективній енергії стає все нагальнішою, перовськіт — невеликий, але потужний кристалічний матеріал — може стати ключем до революційного прориву в сонячній енергетиці. Ця інноваційна технологія обіцяє не лише підвищити ефективність сонячних панелей, але й змінити спосіб їх виробництва та використання.
Маленький кристал із великими можливостями
Крихітна кристалічна структура під назвою перовськіт має потенціал викликати справжню революцію в сонячній енергетиці. На відміну від кремнію, якому потрібне енергомістке видобування та очищення за температури понад тисячу градусів, перовськіт можна легко синтезувати за температур, близьких до кімнатної, що робить виробництво значно менш енергоємним.
Перовськіт — це не конкретний матеріал, а загальний термін для певної кристалічної структури з формулою ABX3, де кожен компонент являє собою певний елемент чи молекулу. Однією з найпоширеніших комбінацій є метиламоній у положенні A, металевий свинець у положенні B, та йодид або хлорид у положенні X, що формується навколо металу.
Ця структура має вражаючу здатність поглинати сонячне світло та перетворювати його на електричну енергію. У той час як традиційні кремнієві сонячні елементи досягають ефективності лише 20-25% (тобто лише чверть сонячного світла перетворюється на енергію), перовськітні елементи вже демонструють ефективність понад 26%, а в тандемній конфігурації з кремнієм — понад 34%.
Як працюють тандемні сонячні елементи
Тандемні сонячні елементи — це надзвичайно перспективна розробка в галузі сонячної енергетики. Вони представляють собою багатошарову структуру, де різні матеріали "співпрацюють", щоб ефективніше вловлювати сонячне випромінювання.
Професор Айке Кьонен, експерт з Інституту Гельмгольца в Берліні, пояснює принцип роботи тандемних елементів: "Тандемні сонячні елементи набагато краще використовують вхідне світло. Є сонячний спектр, і тандемні елементи розподіляють цей спектр. Перовскітний сонячний елемент використовує видимі хвилі — все, що ми можемо побачити оком, перетворюється у перовскітному сонячному елементі в електричну енергію. А інфрачервоне світло проходить крізь перовскіт і обробляється вже у кремнієвому сонячному елементі, який доволі ефективний для перетворення інфрачервоного світла. Отже, вони ділять спектр, і кожний елемент дуже ефективний у своїй частині."
Завдяки такому розподілу праці, тандемні елементи можуть перетворювати приблизно на 50% більше сонячного світла на електричну енергію порівняно зі звичайними кремнієвими панелями. Провідні компанії та дослідницькі інститути активно працюють над вдосконаленням цієї технології.
Рекорди ефективності: перегони за «сонячним золотом»
Останні роки ознаменувалися справжньою гонкою за підвищення ефективності перовськітних та тандемних сонячних елементів. Кожен новий рекорд наближає цю технологію до широкого комерційного використання.
У вересні 2024 року команда професора Сюя з Університету науки і технології Китаю (USTC) встановила новий світовий рекорд для перовськітних сонячних елементів із сертифікованою стабільною ефективністю 26,7%. Це вже третій поспіль рік, коли команда професора Сюя оновлює світовий рекорд ефективності.
Ще більш вражаючі результати демонструють тандемні сонячні елементи. У червні 2024 року китайська компанія Longi встановила світовий рекорд ефективності тандемних перовськіт-кремнієвих сонячних елементів — 34,6%, який був підтверджений Європейською установкою з тестування сонячної енергії (ESTI) PV Magazine. Longi досягла цього результату шляхом оптимізації процесу осадження тонкої плівки шару переносу електронів, розробки та використання високоефективних матеріалів пасивації дефектів та розробки високоякісних структур міжфазної пасивації.
Не відстає й компанія Qcells, яка досягла ефективності 28,6% для тандемних сонячних елементів на повноплощинному елементі типу M10, який може бути масштабований для масового виробництва Qcells North America. Технологія Qcells базується на стекінгу перовськітної верхньої та кремнієвої нижньої комірок, що покращує продуктивність шляхом більш ефективного уловлювання високоенергетичного світла верхньою коміркою, тоді як низькоенергетичне світло передається та уловлюється нижньою коміркою.
Слабка ланка: битва з деградацією
Незважаючи на вражаючий прогрес, перовськітні сонячні елементи стикаються з серйозною проблемою — деградацією, що значно обмежує їхній термін служби. Дослідники виявили кілька механізмів деградації, включаючи хімічну реакцію з вологою і киснем, теплову нестабільність, механічні напруження, та пошкодження від УФ-випромінювання.
Керолін Ульбріг з Інституту Гельмгольца, яка контролює випробування тандемних сонячних елементів на деградацію, зазначає, що іноді ці елементи виходять з ладу через кілька днів, але іноді працюють роками. Її команда зафіксувала втрату ефективності на 20% лише за півроку, тоді як кремнієвим сонячним батареям потрібно приблизно 20 років, щоб досягти цього рівня деградації.
Проте наукові прориви обіцяють вирішення цієї проблеми. Інженери з Georgia Tech виявили, що деградація перовськіту відбувається через спільний вплив води та кисню. Вони продемонстрували, що якщо запобігти взаємодії одного з цих компонентів із перовськітом, структура значною мірою зберігається. Дослідники успішно застосували тонке покриття з фенетиламоній йодиду (PEAI), яке відштовхує воду, для запобігання деградації.
Вчені з Університету Surrey також зробили прорив, показавши, що оксид алюмінію (Al₂O₃) може значно подовжити термін служби перовськітних сонячних елементів, потенційно збільшивши його в десять разів.
Oxford PV, компанія, заснована випускниками Оксфордського університету, стверджує, що вже досягла ефективності майже 29% і вирішила проблеми деградації. Також компанія QCells, як частина Європейського академічного та промислового партнерства, планує розробити модулі комерційного розміру з ефективністю 26% і терміном служби 30 років.
Від лабораторії до даху: комерціалізація перовськітних технологій
Комерціалізація перовськітних та тандемних сонячних елементів активно розгортається, і перші такі панелі вже з'являються на ринку.
У вересні 2024 року Oxford PV оголосила про першу в світі комерційну поставку тандемних сонячних панелей з перовськіту на кремнії американському клієнту Oxford PV. 72-елементні панелі, що складаються з власних перовськіт-на-кремнії сонячних елементів Oxford PV, можуть виробляти до 20% більше енергії, ніж стандартна кремнієва панель. Перші доступні на ринку панелі Oxford PV мають ефективність 24,5%, що значно перевищує традиційну кремнієву технологію.
Девід Уорд, генеральний директор Oxford PV, зазначив: "Комерціалізація цієї технології — це прорив для енергетичної галузі. Високоефективні технології — це майбутнє сонячної індустрії, і це майбутнє починається зараз."
Однак вартість залишається важливим фактором. Наразі матеріали для перовськітних сонячних елементів коштують приблизно $250 за квадратний метр, тоді як кремнієві елементи мають матеріальні витрати близько $100 за квадратний метр. Незважаючи на це, перовськітні елементи мають значний потенціал для зниження вартості при масштабуванні виробництва, особливо завдяки можливості використання технології roll-to-roll з розчинними чорнилами.
За даними аналітичної компанії Cervicorn Consulting, глобальний ринок тандемних сонячних елементів, оцінений у $455,47 млн у 2024 році, як очікується, досягне приблизно $9142,73 млн до 2034 року, зростаючи із середньорічним темпом приросту (CAGR) 34,98% протягом прогнозованого періоду 2025-2034 Cervicorn Consulting.
Майбутнє сонячної енергетики: перовськітні горизонти
Технологічні тренди вказують на світле майбутнє для перовськітних та тандемних сонячних елементів. Очікується подальше підвищення ефективності, розробка двовимірних та чотиривимірних конструкцій, прийняття біфаціальних та гнучких дизайнів, а також дослідження передових комбінацій матеріалів.
Дженні Чейз, аналітик ринку сонячної енергії з Bloomberg NEF, підкреслює, що для успіху перовськіту він має бути дешевшим, ніж звичайний кристалізований кремній у розрахунку на ват електроенергії. За її словами, компанія, яка вирішить питання витрат та надійної роботи сонячних елементів, заробить багато грошей.
Oxford PV планує в найближчі роки спрямувати виробництво зі свого об'єкту в Бранденбургу-на-Гавелі, Німеччина, на додаткових комунальних клієнтів, спеціалізовані продукти та пілотні житлові застосування, одночасно масштабуючи виробництво до гігаватного масштабу на майбутньому високооб'ємному виробничому майданчику.
Сонячні тандемні елементи мають великий потенціал, але є ще багато аспектів, які мають стати на свої місця, щоб все запрацювало повною мірою. Oxford PV запевняє, що разом із партнерами вже незабаром зможе постачати нові модулі, а сонячні парки з тандемними елементами з'являться у 2026 або у 2027 році.
На порозі сонячної трансформації
Перовськітні та тандемні сонячні елементи стоять на порозі трансформації глобальної сонячної енергетики. Суттєво вища ефективність, потенційно нижча вартість виробництва та можливість гнучкої інтеграції відкривають широкі перспективи для цієї технології.
Попри значні виклики, пов'язані з деградацією та стабільністю, наукові прориви у вирішенні цих проблем, такі як розробка спеціальних покриттів та оптимізація складу перовськіту, дають підстави для оптимізму. Перші комерційні застосування від компаній Oxford PV, QCells та інших вже демонструють потенціал технології.
Зі зростанням глобального ринку тандемних сонячних елементів з прогнозованим CAGR майже 35% на наступне десятиліття, ми можемо очікувати, що до 2030-х років ця технологія стане важливою частиною світового енергетичного ландшафту, прискорюючи перехід до чистих джерел енергії.
Хоча повне комерційне впровадження перовськітних та тандемних сонячних елементів все ще потребує часу, значні інвестиції та прогрес від провідних компаній та дослідницьких інститутів свідчать, що ця революційна технологія впевнено крокує від лабораторій до реального світу, готуючись змінити обличчя глобальної сонячної енергетики.
Джерело: YouTube
