Солнечные батареи из перовскита

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.

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 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.

Группа исследователей из Кореи, под руководством Сок Санг Иля, разработала собственную формулу, путем смешивания метиламмония бромида свинца с формамидин-иодидом свинца, ученые добились такой структуры перовскита, что установили рекордный КПД в 17,9%. Использование смеси позволит печатать солнечные элементы, и их стоимость еще больше снизится. Остается проблема — материал растворяется в воде, к тому же размер ячеек в тестах не превышал 10 кв.мм, так что исследования продолжаются.

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.

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.

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.

Многослойные панели позволили повысить плотность и стабильность получаемой от солнца энергии. Тестирования показали, что три слоя перовскита преобразуются при желании в одну пленку. При площади одной ячейки не более 10 кв.мм, исследователи добились КПД 12,65% от преобразователя размером с монету, однако с учетом преобразования и хранения энергии, КПД составил 7,8% в цикличном режиме.

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.

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.

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.