Перовскитовые солнечные элементы своими руками: пять граммов на квадратный метр / Хабр

пять граммов на квадратный метр / Хабр

Фольга из перовскита. Масштабная линейка 1 см

Судя по всему, фотоэлементы из перовскита вместо кремния становятся одной из самых перспективных технологий изготовления солнечных панелей. В России такие исследования вести опасно, а вот зарубежные учёные добились определённых успехов.

В апреле 2015 года было опубликовано исследование с оценкой энергоэффективности солнечных панелей из перовскита (pdf). Авторы показали, перовскит теоретически превосходит кремний по отношению энергозатрат к генерируемой энергии. Солнечным панелям из кремния требуется около двух лет, чтобы вернуть энергию, потраченную на добычу и очистку минерала, производство и установку батарей.

Панели из перовскита окупаются за два-три месяца.

У фотоэлементов из перовскита КПД всего 11-12% — это меньше, чем у кремниевых аналогов. Но всё равно перовскит на порядок выгоднее с точки зрения энергоэффективности.

Технология перовскитовых панелей очень быстро прогрессирует. К тому же, возможность изготовления токогенерирующей плёнки толщиной в несколько микрометров открывает совершенно потрясающие новые возможности. Такую сверхтонкую гибкую фольгу толщиной 3 мкм как раз недавно изготовили химики из Линцского университета им. Иоганна Кеплера (Австрия). Статья опубликована 24 августа 2015 года в журнале Nature Materials (pdf).

Австрийцы сумели значительно оптимизировать техпроцесс изготовления фотоэлементов и повысить стабильность химиката в воздушной среде. То есть теперь не нужна трудоёмкая и дорогая инкапсуляция: панели работают без защитной оболочки. Химической стабильности в воздухе добились за счёт применения прослойки из хрома и оксида хрома, которая защищает верхние металлические контакты от реакции с перовскитом.

Фольга из перовскита имеет толщину всего три микрометра. Неудивительно, что материал демонстрирует феноменальный показатель энергоотдачи: 23 ватта на грамм.

Квадратный метр фотоэлементов весит всего 5,2 грамма и генерирует 120 ватт мощности!

Изобретатели предлагают использовать легковесную фольгу для энергопитания беспилотных летательных аппаратов (от больших самолётов до маленьких квадрокоптеров), метеорологических зондов и воздушных шаров с видеокамерами типа «Око», которые непрерывно находятся в воздухе и следят за территорией.

Для справки. Перовскит — сравнительно редкий на Земле минерал, титанат кальция. Эмпирическая формула: CaTiO₃. Впервые обнаружен немецким геологом Густавом Розе в 1839 году в Уральских горах и назван в честь российского государственного деятеля графа Льва Перовского, который коллекционировал минералы. Журнал Science включил перовскит в топ-10 прорывов 2013 года, подразумевая возможность его использования в солнечной энергетике.

Перовскитные солнечные элементы: особенности технологии и эффективность

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.

Горизонт перовскитных событий

Начало XXI века, как из рога изобилия, осыпало человечество новыми вариантами вроде бы давно известных материалов. Многие из них показали себя крайне перспективными: взять тот же графен, углеродные нанотрубки, а с 2012 года — и перовскиты. Их структура так необычна, что обещает им большое будущее и в солнечной энергетике и связи. Но, как и с предыдущими чудо-материалами, не все с ними складывается гладко. Похоже, «приручить» эти материалы будет сложнее, чем казалось.

Бежать, чтобы остаться на месте

Первый мощный всплеск интереса к перовскитам пришелся на 2012 год. Тогда несколько работ показали, что они могут преобразовывать солнечный свет в электроэнергию с КПД, близким к кремниевым солнечным батареям того времени.

В 2013 году журнал Science даже включил перовскиты в список десяти прорывов года: «Перовскиты дешевы, просты в производстве и уже сейчас преобразовывают 15 процентов энергии солнечного света в электричество». Автор статьи писал, что хотя это и ниже, чем у серийных кремниевых, материал-новичок быстро совершенствуется.

С тех пор минуло семь лет, но ситуация слабо изменилась. Новый класс материалов совершенствуется, но традиционная кремниевая фотовольтаика все еще лучше — потому что тоже продолжает развиваться. Тем не менее, большинство исследователей, занимающихся перовскитами, уверены, что их потенциал выше, чем у классических кремниевых солнечных батарей. Правы ли они? И когда эти теоретические преимущества превратятся в практические?

Чем хороши перовскиты

«Классический» перовскит — это CaTiO₃, кристаллы которого имеют псевдокубическую (нарушенную кубическую) структуру. Однако тем же именем принято называть и другие материалы с такой же структурой. Сам титанат кальция состоит из атомов трех типов: А (атомы кальция), В (титана) и Х (иногда их называют С, атомы кислорода). Причем А находится в центре псевдокубических структур, В — в угловых узлах псевдокуба, а С образуют вокруг В восьмигранники, на шести вершинах которых находятся как раз по шесть атомов кислорода.

Перовскит CaTiO₃

CC0

В этой стандартной структуре практически любой из атомов обычной схемы ABX₃ может быть заменен на относительно сходный по свойствам. И структура в целом при этом сохранится. При этом А — всегда большой катион (положительно заряженный ион), В — всегда катион меньшего размера чем А, а Х — всегда анион (отрицательно заряженный ион). Даже среди природных минералов часто встречаются те, в которых А был не кальцием, а, например, церием, да и В — не титаном, а ниобием или танталом.

В природе перовскитоподобные по структуре соединения очень распространены, но видим мы их редко. Это потому, что самые «массовые» из них находятся в мантии Земли, как, например, (Mg,Fe)SiO₃, считающийся одним из самых распространенных соединений нашей планеты. Важно понимать, что катионы А или В могут быть заменены на свой аналог не целиком, а лишь частично: в части молекул будет один катион А, а в части — другой. Тогда такой компонент перовскитоподобного минерала пишется в скобках через запятую, как магний и железо в (Mg, Fe)SiO₃.

На глубине 2,9 тысячи километров под поверхностью Земли может находиться большое количество MgSiO₃ с перовскитоподобной структурой

Иллюстрация: ESRF

Специфическая пространственная структура кристаллов перовскита дает им массу необычных свойств. Например, такая структура у оксида иттрия-бария-меди — высокотемпературного сверхпроводника, сохраняющего свои свойства даже при 77 кельвинах, то есть при температуре жидкого азота. Считается, что вещества c такой структурой — одни из наиболее перспективных сверхпроводников будущего. Другая важная область применения подобных материалов — создание из перовскитов рабочих сред лазеров.

Оксид иттрий-барий-меди

Cadmium / CC0

Наиболее значимой зоной использования перовскитоподобных (далее мы будем называть их, как принято в этой области, просто перовскитными, хотя их состав сильно отходит от «базового» перовскита) материалов сейчас считается солнечная энергетика. Причины просты: КПД таких материалов к 2020 году взлетел до 25,2 процентов — и это для однослойных фотоэлементов. Лучшие серийные кремниевые солнечные батареи имеют КПД в те же 25 процентов. Тут перовскиты догнали своего основного конкурента.

Есть у перовскитов здесь и преимущество, недоступное обычным кремниевым панелям: слегка изменяя состав слоев такого материала, можно сдвинуть ширину его запрещенной зоны — такого значения энергии электрона, которой он в данном материале иметь не может. За счет этого такие слегка отличающиеся друг от друга перовскиты будут чувствительны к несколько разным длинам световых волн. Считается, что перовскитная пленка толщиной всего в 500 нанометров может содержать достаточно слоев, чтобы эффективно генерировать электричество сразу от всех участков видимого диапазона. Поэтому на их основе легко создать двух- и более многослойные материалы с КПД выше, чем у кремния.

Чисто кремниевые фотоэлементы такого результата не покажут, многослойность там возможна (скажем, поверх монокристаллического кремния можно наложить слой аморфного), но она куда меньше поднимает их КПД. Наращивать толщину активного слоя солнечной батареи из чистого кремния до 500 нанометров не имеет смысла: идентичная запрещенная зона будет означать, что световые волны нужной длины поглотятся внешними слоями и не достигнут более нижних.

Другая положительная особенность перовскитных фотоэлементов: их можно получить простым осаждением из раствора, примерно как печатаемые буквы в струйном принтере. Это большой плюс на фоне кремниевых батарей, требующих сверхчистого кремния, вакуумных камер и очень непростого процесса его осаждения на подложку.

Наряду с такими очевидными достоинствами типичные перовскитные фотоэлементы имеют и серьезные недостатки. Самый популярный в перовскитной фотовольтаике тип соединений — йодид свинца-метиламмония с общей формулой CH₃NH₃PbX₃, где X, как правило, йод или бром/хлор. При контакте такого соединения с водой и кислородом, а также при периодическом нагреве, оно может быть химически нестабильным и быстро деградировать с разрушением своей структуры. Для ее стабильности опасен и остаточный слой йодида свинца, остающийся рядом с конечными кристаллами перовскита после окончания процесса его получения (цикла осаждения).

Йодид свинца-метиламмония CH₃NH₃PbX₃

Christopher Eames et al. / Nature Communications, 2015

Стабильность — настоящее проклятие подобных фотоэлементов. Современные кремниевые солнечные батареи теряют примерно 0,5 процента мощности за год работы, а для йодида свинца-метиламмония не так давно прорывным считалась потеря всего 10 процентов мощности за два месяца работы. Ясно, что для реальной энергетики такой ресурс недостаточен. К тому же утилизация содержащих свинец фотоэлементов — заметная экологическая проблема. Металла там достаточно, чтобы его утечка в грунтовые воды грозила отравлениями, но не так много, как в автомобильном аккумуляторе. Поэтому не факт, что утилизация таких батарей станет экономически выгодной.

Многочисленные попытки решить проблему за счет лучшей изоляции перовскита то углеродными нанотрубками, то полимерами, то металл-оксидным слоем повышали ресурс, но недостаточно высоко. А вот стоимость и сложность производства от таких модификаций неизменно росли.

В тех случаях, когда новые подходы позволяли резко поднять ресурс перовскитных солнечных батарей, возникала иная сложность: КПД подобных структур оказывался недостаточным.

Без свинцовой тяжести

Логичной выглядит попытка найти такие перовскиты, которые не использовали бы свинец: это закрыло бы проблемы и с токсичностью, и с низкой стабильностью работы подобных фотоэлементов. Именно такую работу провела группа исследователей во главе с Рафаэлем Луке из Университета Кордобы и Российского университета дружбы народов (РУДН). Ученые попробовали создать двойные перовскиты на основе цезия, метиламмония висмута, серебра, сурьмы и бария: Cs₂AgBiBr₆, (CH₃NH₃)₂TlBiBr₆ и Cs₂AgSbBr₆.

Двойными называют такие перовскиты, у которых атомы А или В занимают два разных материала. Если речь идет об элементе А, то общая формула материала получает два типа катионов А (например, A′A′′B2O₆ ), а если об элементе B, то — два В (например, A₂B′B′′O₆). Обычно преимущество таких материалов заключается в их высокой химической стабильности. Все три соединения из предыдущего абзаца имеют общую формулу A₂BB′X₆, то есть у них сразу два типа В-катионов — либо серебро и висмут, либо титан и висмут, либо серебро и сурьма.

Подобные структуры — двойные перовскиты, в том числе с содержание цезия — и раньше попадали в поле зрения ученых. Было очевидно, что стабильность их должна быть заметно выше «свинцовых» аналогов. Как отмечают в своей работе авторы группы, куда входил и Луке, как эти, так и некоторые другие соединения с перовскитной структурой даже предсказывались как теоретически перспективные в солнечной энергетике.

Однако на этом пути была проблема: практически создать их стандартным путем химического синтеза не удавалось. Обычная техника такого рода требует «мокрой» химии: смешивания ряда исходных компонентов в растворе с последующей кристаллизацией перовскитоподобных структур на дне емкости.

Но, если попробовать по такой методике получить соединения, где на месте катионов кальция будет цезий, то целый ряд побочных продуктов, нужных для синтеза реакций, заблокирует процесс образования «цезиевых» перовскитов.

В комментарии для N+1 Рафаэль Луке отметил, что для таких сложных случаев лучше всего подходит механохимический подход к синтезу. Вместо того, чтобы нагревать исходные соединения, их начинают перемалывать в барабанно-шаровой мельнице. При скорости вращения барабанной части мельницы более 1000 оборотов в минуту энергия, воздействующая на исходные компоненты — тот же цезий, серебро и остальные, настолько велика, что они начинают вступать в химические реакции друг с другом, даже несмотря то, что общая температура порошка остается относительно невысокой. Способствует этому резкое увеличение соотношения площади поверхности частиц исходных компонентов к их массе — чем это соотношение выше, тем проще им вступить в реакции между собой. Исследователь также высоко оценивает и оперативность метода: он позволяет получать порошок нужного перовскита за считанные минуты без долгого ожидания завершения синтеза, как это иной раз случается в растворах.

Фото барабанно-шаровой мельницы для синтеза другого класса соединений

GOKLuLe 盧樂 / Wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Луке особо подчеркивает, что это «простой метод», не требующий не только использования органических растворителей для синтеза нужных перовскитов, но и «не подвергающий их действию высоких температур». Это важно: очень часто нужные соединения образуются только при сотнях градусов Цельсия, в то время как перовскитные структуры при повышенной температуре недостаточно стабильны и могут начать деградировать еще в ходе синтеза.

Возникает вопрос: если в результате механохимического синтеза образуется порошок, то как из него затем производить сам фотоэлемент? По словам Луке, «эти порошки могут быть легко превращены в фотоэлементные пленки за счет использования процессов растворения и осаждения». Как он отмечает, это классические методы получения перовскитных пленок, и в этой области нет каких-то подводных камней.

Двойные перовскиты, действительно, могут существенно поднять стабильность фотоэлементов нового типа. Но все же пока отрасль находится в поисках идеального двойного перовскита: цезий имеет довольно высокую цену, как, собственно, и серебро. Именно поэтому для демонстрации возможностей механохимческого подхода к синтезу двойных перовскитов авторы работы включили в список полученных ими соединений и те, у которых в роли катиона А выступает метиламмоний: (CH₃NH₃)₂TlBiBr₆.

Из-за малой толщины (сотни нанометров) перовскитных фотоэлементов сама по себе высокая стоимость компонентов здесь не является непреодолимым препятствием. В долгосрочном плане важнее стабильность соединения и его малотоксичность.

Как ни странно, здесь определенные преимущества есть скорее у цезия, чем у метиламмония. Хотя после Чернобыля многие инстинктивно воспринимают слово «цезий» как синоним опасности, на деле обычные изотопы цезия малотоксичны. В крови, мышцах, сердце и печени его относительно много, и тем не менее он не наносит вреда (хотя и биологическая роль его там не вполне понятна).

Что важно — в отличие от метиламмония он весьма устойчив даже в условиях повышенной влажности. Двойные перовскиты «на цезии» стабильны, и потеря ими этого металла с его утечкой в окружающую среду весьма проблематична. Авторы работы с помощью рентгеновского излучения тщательно отслеживали изменения в структуре полученных ими порошков двойных перовскитов. Они не смогли зафиксировать в них никаких изменений на протяжении нескольких месяцев — несмотря на комнатную температуру и влажность, типичную для обычного воздуха. Учитывая, что в солнечной батарее перовскитная пленка защищена стеклом, фактическая «полевая» стабильность новых соединений в ней должна быть еще выше.

Союз со старым соперником

Помимо заметного упрощения синтеза стабильных двойных перовскитов, в том числе за счет использовании механохимического подхода, у нового материала для солнечной энергетики есть еще один потенциальный союзник. Как ни странно, это все тот же кремний, который перовскиты надеются потеснить из обычных серийных фотоэлементов.

Дело в том, что кремний достаточно дешев и при этом показывает относительно высокий КПД. И здесь может быть выгодно «скрестить» его с перовскитами. За счет возможности их «гибкой настройки» (замены части катионов), они могут расширить диапазон используемого таким гибридным фотоэлементом солнечного излучения.

В 2018 году группа исследователей из стартапа Oxford Photovoltaics применила монокристаллический кремний как основу для солнечной батареи, а затем покрыла его перовскитом. Хотя КПД монокристаллического кремниевого фотоэлемента сам по себе не превышает 23-24 процента, в комбинации с перовскитом он достиг 28 процентов — рекордной величины.

Как ни странно, в современной солнечной энергетике цена фотоэлемента часто не так важна, как его эффективность. За последние десять лет цена их упала во много раз. Поэтому в стоимости киловатта установленной мощности солнечной электростанции более 50 процентов занимают поддерживающие конструкции, опоры, труд устанавливающих их рабочих и так далее — но не сами солнечные батареи. Добавив к кремниевым фотоэлементам еще более дешевый слой перовскитов, владелец гелиоэлектростанции не повысит существенно свои затраты. А вот рост КПД даже с 25 до 28 процентов означает рост выручки на 10-12 процентов.

Все это значит, что долгое «лабораторное» соперничество перовскитов и кремния в реальной жизни может обернуться их неожиданным, в силу кажущегося противостояния этих материалов, союзом. Случится ли он на практике — покажет ближайшее будущее.

Александр Березин

Печатные солнечные батареи на подходе: созданы дешевые и эффективные фотоэлементы из перовскита

Исследования позволили снять главный барьер, мешавший крупномасштабному производству дешёвых печатных солнечных батарей.

Канадские учёные университета Торонто смогли сделать производство печатных солнечных батарей сходным по стоимости с печатанием газеты. Доктор Хайрен Тан и его команда создали улучшенные фотоэлементы из перовскита. Эта альтернативная технология позволит массово и недорого производить солнечные панели.

«Уменьшение размеров значительно снизит стоимость производства чистого кремния, — сказал профессор Тед Сарджент, эксперт по новым солнечным технологиям. — Перовскит позволяет нам производить небольшие солнечные батареи по уже имеющимся печатным технологиям. В потенциале можно объединить перовскит и кремний для того, чтобы и дальше улучшать эффективность батарей, но это возможно лишь при применении новых низкотемпературных технологий».

Сегодня практически все солнечные батареи производятся из кремния высокого уровня очистки. Для этого кремний обрабатывают при температурах выше 1 000 градусов с использованием вредных растворителей.

Читайте также: Нанотехнологии позволили увеличить КПД солнечных батарей до 40%

Новые солнечные элементы из перовскита состоят из тонкого слоя кристаллов, которые в тысячу раз тоньше человеческого волоса. Кристаллы можно превращать в подобие «солнечных чернил», которые наносятся на любую поверхность примерно так же, как принтер печатает буквы или изображения на бумаге. Пока эффективность новых фотоэлементов составляет 20,1 %.

Тану и его коллегам удалось найти реакцию, которая позволяет создать рабочую поверхность солнечной батареи при температуре не выше 150 градусов. Эту температуру выдерживают почти все повседневные вещи. Существующая технология требует минимум 500 градусов, что исключает использование большинства пластиков и тканей.

Ещё одним плюсом работы канадских учёных является стабильность. Их батареи не снижают эффективности работы даже после 500 часов использования, тогда как ранее разработанные батареи на основе перовскита могли снизить отдачу энергии уже через несколько часов.

«Если нам удастся повысить эффективность гибридных батарей до 30% и выше, это значительно удешевит производство солнечной энергии», — сказал Тан.

Для справки: Перовскит – титанат кальция, довольно редкий минерал. Впервые обнаружен на Урале. Месторождения есть также в Финляндии, Австрии и Швейцарии.

Читайте также: Почему солнечная энергия станет дешевле угля уже в течении 10 лет

Источник: sciencedaily.com

А вы что думаете по этому поводу? Дайте нам знать – напишите в комментариях!

Понравилась статья? Поделитесь ею и будет вам счастье!

Перовскитовый солнечный элемент |

Весь 2017 год мы с восхищением наблюдали за достижениями различных групп учёных по увеличению эффективности перовскитовых фотоэлементов. В результате разброс рекордов колеблется от 23,9% до 26%. При этом теоретические исследования обнадёживают и позволяют рассчитывать на КПД более 30% уже в ближайшем будущем. Для сравнения, самый дорогой и сложный кремниевый фотоэлемент гарантирует КПД 31,3%.

На фоне этих успехов и заявления компании Saule Technologies которая совместно с Skanska Group объявили и запуске серийного производства перовскитовых солнечных батарей уже в 2018 году мы решили разобраться в технологии и залоге её успеха.

Перовскит наиболее динамично развивающаяся альтернатива кремнию

Перовскитовые солнечные элементы — относительно новая, но быстро развивающаяся область солнечных технологий. Первые разработки в сфере солнечной энергетики из этого материала появились в период с 2006 по 2008 год. Тогда сложно было говорить о прорыве, поскольку КПД таких элементов едва превышал значение 2-3 %. На то, чтобы поднять их КПД до 22%, ушло примерно 7 лет.

Так что же это за чудо-материал, который вот так неожиданно оказался в центре внимания ученых, исследователей во всем мире, работающих в области солнечной фотовольтаики?

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 (Ch4Nh4) +
• 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.

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.

Что мешает перовскитам уже сейчас доминировать на рынке?

Основным сдерживающем фактором, является низкая надежность солнечных батарей с перовскитовой структурой. Они не долговечны и подвержены разрушения при воздействии влаги и ультрафиолетового излучения. Именно увеличение надежности и срока службы стоит первоочередной задачей перед инженерами при дальнейших разработках.

По мнению многих видных ученых, которые работают в области солнечной фотоэлектрики, новые бескремниевые солнечные батареи имеют большое будущее. А прогнозируемое снижение более чем в 5 раз стоимости одного киловатта солнечного электричества по сравнению с нынешними ценами открывает самые широкие перспективы для развития перовскитовых фотоэлементов.

[about_author_box avatar_size=»90″ bio=»no» style_border=»horizontal»]

Гибкие солнечные элементы из перовскита послужат основой для «энергетического интернета»

Раньше прогресс в развитии солнечных технологий шел неспешными темпами. Первые кремниевые солнечные панели, ставшие основой фотоэлектрических технологий, были собраны еще в начале 1950-х годов, и тогда они могли конвертировать в электричество только 6% солнечного света. Спустя 30 лет производительность солнечных панелей увеличилась до 20%, в следующие три десятилетия – примерно еще на 5%.

Когда новый материал, появившийся в 2010 году, за восемь лет увеличил производительность с 3.8% до 22.7%, это вышло за рамки научных исследований и привлекло большой интерес рынка.

Речь идет о перовските – природном минерале, в обилии присутствующем в земной коре. Перовскитные фотоэлектрические ячейки можно создавать с включением разных материалов с подходящей кристаллической структурой, которая обеспечивает их полупроводниковые свойства. Иногда их называют гибридными перовскитовыми элементами, потому что они обладают лучшими характеристиками различных фотоэлектрических элементов.

В традиционной технологии кремний плавится в высокотемпературной печи, нарезается идеально ровными пластинами и спаивается в фотоэлектрические панели. Перовскит же можно наносить как чернила, то есть на его производство уходит намного меньше энергии. Перовскит мягче кремния и его можно наносить на гибкие пленки, которые, в свою очередь, можно крепить на поверхность электронных приборов, машин и даже на одежду. В теории максимальная производительность перовскита может достигать 33%, и с нынешними темпами развития технологии такого результата можно добиться в течение ближайших десяти лет.

Главной проблемой в использовании перовскита в солнечной энергетике является нестабильность – его кристаллическая структура легко разрушается, особенно под действием кислорода и влаги. В первых опытах жизненный цикл перовскита измерялся часами, но за прошедшие годы ее удалось увеличить до шести недель. Очевидным направлением улучшения технологии является защита материала от воздействия воздуха.

Читайте также: Блокчейн и WePower сделают торговлю «чистой» энергией доступной для всех

Дополнительный барьер на пути распространения перовскитов может носить экономический характер. Рынок солнечных батарей настраивался на использование кремниевых фотоэлектрическим систем, и отладка его механизмов работы и доходности длилась уже более 30 лет. Прямая конкуренция с традиционными солнечными панелями также может не принести ожидаемых результатов. В тоже время, многообещающим может стать применение перовскита в сочетании с другими солнечными элементами, путем создания многослойных ячеек. В таких устройствах каждый слой отвечает за преобразование в электричество света определенной волны. Так называемые «тандемные» солнечные элементы уже показали эффективность выше 40% – вдвое больше, чем у традиционных солнечных панелей, которые доступны сегодня на рынке.

Ученые полагают, что перовскит – одна из немногих технологий, способных перестроить нашу энергетическую систему с нуля. В настоящее время доля солнечной энергии составляет всего около 2 процентов в глобальной энергетической выработке. Чтобы значительно увеличить ее использование потребуется огромные количество дешевых солнечных батарей и множество новых, помимо традиционных СЭС, мест для их размещения. С технологией, такой как перовскит, наши здания, дороги и транспортные средства могут собирать значительную часть этой солнечной энергии.

По мнению исследователей, в будущем человечеству придется отказаться от привычной энергетической инфраструктуры с ее крупными производителями и централизованными сетями. На смену ей может прийти так называемый «энергетический интернет» – демократизированная, децентрализованная электрическая система, в которой каждый сможет независимо производить, использовать и торговать возобновляемой энергией. И такие примеры уже есть.

Читайте также: Новый способ инвестирования в солнечную энергетику предлагает стартап Sun Exchange

Источник: wired.com

А вы что думаете по этому поводу? Дайте нам знать – напишите в комментариях!

Понравилась статья? Поделитесь ею и будет вам счастье!

Перовскитные солнечные батареи: особенности и преимущества

«Science » («Наука») – авторитетный еженедельный научный журнал, издающийся в США, в конце каждого года публикует список десяти важнейших научных достижений прошедшего года. В 2013 году в этот список попали последние работы в области фотовольтаики, в частности, исследования применения материала, абсолютно нового в солнечной электроэнергетике – перовскита. Уже первые образцы перовскитных солнечных батарей показали достаточно обнадеживающие результаты – эффективность их составляла 15%.

Но это были первые опыты. Начались исследования, поиски новых технологий, новых компонентов, новых оптимальных решений. Ведь перовскитные солнечные батареи намного дешевле кремниевых, а если добиться их высокого коэффициента полезного действия, то это станет настоящим прорывом в области альтернативной энергетики.

Так что же это за чудо-материал, который вот так неожиданно оказался в центре внимания ученых, исследователей во всем мире, работающих в области солнечной фотовольтаики? Да и не только в ней, но и в области физики полупроводников, промышленной радиоэлектроники. Оказывается, перовскит известен уже более полутора веков. Его открыл немецкий минералог и геолог Густав Розе в 1839 году, исследуя минералогию и структуру Уральских гор.

Перовскит – это название Густав Розе дал вновь открытому минералу в честь графа Льва Алексеевича Перовского, чья великолепная минералогическая коллекция была известна специалистам во всем мире. Выдающийся государственный деятель граф Л.А. Перовский финансировал и экспедицию немецкого геолога, поскольку понимал, что Уральские горы – это настоящая сокровищница различных минералов, которые можно будет использовать не только в ювелирном деле.

Минерал перовскит

Перовскит представляет собой минерал преимущественно черного или красновато-коричневого цвета с оригинальной структурой кристаллической решетки. Он богат содержанием примесей титана, ниобия, железа, церия, кальция, тантала. Структура перовскита настолько уникальна, что на ее основе были созданы высокотемпературные сверхпроводящие материалы, ионные проводники, а также некоторые материалы, обладающие свойствами полупроводников. В результате исследований и многочисленных экспериментов в разных странах удалось получить материалы с так называемой перовскитной структурой, причем материалы эти были представлены в различных модификациях – от нанопленок до нанонитей.

Солнечная ячейка на базе тонкопленочного пероксита

Интерес к развитию солнечной электроэнергетики резко возрос в последние годы. Только в 2014 году суммарная мощность солнечных электростанций во всем мире достигла значения в 185 гигаватт, увеличившись по сравнению с 2013 годом на 47 гигаватт. Таким образом, доля солнечных электростанций в мировом производстве электроэнергии превысила три процента.

А ведь всего три года назад, в 2010 году суммарная мощность всех солнечных электростанций мира составляла всего 70 гигаватт. Причина такого бурного роста одна: с появлением новых технологий и совершенствованием солнечных батарей резко снизилась стоимость последних. Практически эта стоимость упала более чем в пять раз, а эффективность лучших серийно выпускаемых образцов увеличилась до 20%. Это привело к тому, что, например, в США один киловатт, производимый на солнечных электростанциях, в 2014 году стоил всего 7.2 цента, то есть стал дешевле электричества, производимого электростанциями, работающими на угле.

Прогнозируется, что в течение примерно пяти лет цена киловатта солнечной электроэнергии уменьшится более чем на 25%, и, таким образом, солнечное электричество станет дешевле того, которое вырабатывается на газовых электростанциях.

Прогнозы эти называют осторожными, потому что они были сделаны без учета того, какое место в гелиевой фотовольтаике займут перовскитные солнечные батареи. В конце 2014 года в Южной Корее, в институте химической технологии, были получены перовскитные солнечные элементы с коэффициентом полезного действия, равным 18%. По этому показателю перовскитные батареи сравнялись с серийными кремниевыми фотопреобразователями. А вот стоимость этих новых батарей была значительно ниже стоимости традиционных гелиевых панелей.

Солнечная панель с пленкой из галогенида перовскита

Продолжая исследовательские работы в этом перспективном направлении, прогнозируя его развитие, ученые пришли к выводу, что в ближайшие пять–десять лет эффективность перовскитных элементов может быть увеличена до 30%.

Единственное, что в настоящий момент не позволяет запустить перовскитные батареи в промышленное производство, – это сравнительно невысокие показатели устойчивости к перегреву и восприимчивости ультрафиолетового излучения. Тем не менее ученые продолжают работать в этом направлении, и лабораторные эксперименты уже дали результаты, которые позволяют говорить о живучести перовскитных батарей не менее 25 лет.

Получение эффективных и дешевых солнечных батарей занимает сейчас ученых во всем мире. Лучшие лаборатории работают над тем, чтобы максимально использовать энергию солнца, уменьшить зависимость от органических ископаемых источников энергии. В Швейцарии перовскитными солнечными батареями занимается профессор Михаэль Гретцель, руководитель исследовательской лаборатории в Федеральной политехнической школе в Лозанне.

Было бы удивительным, если бы этой проблемой не заинтересовались и российские ученые. К исследованиям в этой области подключились специалисты двух факультетов МГУ. Совместно со швейцарскими специалистами во главе с Михаэлем Гретцелем в 2015 году были начаты работы в рамках российско-швейцарского проекта в области перовскитного фотоэлектрического преобразования.

Нитевидная структура перовскита

В ходе работ был изучены основные принципы и условия формирования перовскитных структур в виде нанонитей. Почему именно нанонити? Да потому, что по расчетам ученых именно перовскитные нанонити являются наиболее перспективными для создания солнечных батарей.

Органо-неорганические материалы, имеющие перовскитную структуру, – это совершенно новая форма фотоэлектрических преобразователей. Впервые такая ячейка была получена в Швейцарии в 2009 году. Ее эффективность была чрезвычайно мала – около 3.5%. Но сейчас, после целого ряда успешных исследовательских работ, эффективность таких ячеек возросла в несколько раз и составляет на текущий момент порядка 22%. А чрезвычайно простая и очень экономичная технология производства этих гелиевых ячеек открывает широкие перспективы их применения и мощной конкуренции кремниевым фотопреобразователям.

В результате совместных исследований и экспериментов, проведенных российскими и швейцарскими учеными, была предложена принципиально новая методика получения перовскита с нитевидной морфологией. Исследователи впервые в мире экспериментально проследили образование протяженных нанонитей, превращающихся на последующих этапах в перовскит, но с нитевидной структурой. Именно это и легло в основу создания технологии получения солнечных перовскитных батарей.

Солнечная перовскитная панель

По мнению многих видных ученых, которые работают в области солнечной фотовольтаики, новые бескремниевые солнечные батареи вне всякого сомнения имеют большое будущее. А прогнозируемое снижение более чем в семь раз стоимости одного киловатта солнечного электричества по сравнению с нынешними ценами открывает самые широкие перспективы для развития гелиевой электроэнергетики.

Материалы, методы и перспективы на будущее

Новый полностью твердотельный гибридный солнечный элемент на основе органо-неорганического перовскита галогенида металла (CH ₃ NH ₃ PbX ₃ ) привлек большое внимание со стороны исследователей со всего мира и считается одним из 10 лучших научных достижений 2013 года. Перовскитные материалы могут использоваться не только в качестве светопоглощающего слоя, но и в качестве слоя переноса электронов / дырок благодаря преимуществам его высокой коэффициент экстинкции, высокая подвижность заряда, длительное время жизни носителей и большое расстояние диффузии носителей.Эффективность фотоэлектрического преобразования энергии перовскитных солнечных элементов увеличилась с 3,8% в 2009 году до 22,1% в 2016 году, что делает перовскитные солнечные элементы лучшим потенциальным кандидатом для нового поколения солнечных элементов для замены традиционных кремниевых солнечных элементов в будущем. В этой статье мы представляем развитие и механизм перовскитных солнечных элементов, описываем конкретную функцию каждого слоя и сосредотачиваемся на улучшении функции таких слоев и его влиянии на производительность элемента.Далее обсуждаются методы синтеза светопоглощающего слоя перовскита и рабочие характеристики. Наконец, кратко представлены проблемы и перспективы развития перовскитных солнечных элементов.

1. Введение

В условиях роста глобального потребления энергии и загрязнения окружающей среды традиционные ископаемые источники энергии не могут обеспечить устойчивое развитие человеческого общества. Использование чистых возобновляемых источников энергии стало предпосылкой для развития человеческого общества.Среди множества новых энергетических технологий солнечная энергия, несомненно, является одной из самых перспективных технологий. Солнечный элемент — это устройство, которое преобразует световую энергию непосредственно в электрическую с помощью фотоэлектрических эффектов или фотохимических реакций. В 1839 году французский физик Беккерель впервые открыл фотоэлектрический эффект. В 1876 году британские ученые Адамс и др. обнаружили, что селеновый полупроводник может производить электричество, когда он излучается солнечным светом [1]. В 1883 году Фриттс успешно изготовил первый солнечный элемент с переходом полупроводник / металл с куском германия, покрытым тонким слоем золота, хотя эффективность составляла всего ~ 1%.В 1954 году Пирсон и др. от US Bell Labs разработала первый солнечный элемент из кристаллического кремния и достигла эффективности преобразования 4,5%, тем самым положив начало новой эре использования солнечной энергии [2]. Солнечные элементы из монокристаллического кремния / поликристаллического кремния, которые в настоящее время используются в промышленных приложениях, достигли эффективности фотоэлектрического преобразования более 20% [3, 4]. Однако такие солнечные элементы на основе кремния характеризуются высокой стоимостью, суровыми условиями подготовки и серьезным загрязнением окружающей среды.Тонкопленочные солнечные элементы из теллурида кадмия и меди, индия, галлия и селена достигли высокой эффективности фотоэлектрического преобразования в лабораторных условиях, но их промышленное применение ограничено высокой стоимостью производства, загрязнением окружающей среды и другими проблемами [5]. В последние годы сенсибилизированные красителем солнечные элементы, представляющие солнечные элементы третьего поколения, достигли эффективности фотоэлектрического преобразования более 13% в лабораторных условиях и быстро развивались благодаря своим значительным преимуществам, в том числе низкой стоимости, простоте процесс и высокая эффективность [4].Однако сенсибилизированные красителем клетки все же имеют два недостатка. Во-первых, чтобы обеспечить полное поглощение энергии солнечного света, поглощающий слой должен быть толстым (> 10 мкм м), потому что трудно достичь полного поглощения света, используя более тонкий поглощающий слой в твердотельных элементах [6, 7 ]. Во-вторых, органические красители не могут избежать явления легкого обесцвечивания. Эти две проблемы побудили исследователей разработать превосходные цельнотвердые красители.

В 2009 году японские ученые Кодзима и др.обнаружили, что перовскит на основе органических галогенидов металлов похож на красители и может поглощать солнечный свет. Перовскит может применяться в сенсибилизированных красителем солнечных элементах с жидким электролитом в качестве сенсибилизатора для достижения эффективности преобразования энергии (PCE) 3,8% [8]. В 2012 году Ким и др. впервые сообщили о твердотельных перовскитных солнечных элементах с КПД 9,7% [9]. Из-за высокой эффективности и низкой стоимости перовскитные солнечные элементы привлекли внимание исследователей во всем мире и в последние годы быстро развиваются.Пока что самый высокий КПД преобразования был 22,1% в 2016 году, что было сертифицировано Национальной лабораторией возобновляемой энергии (NREL) [10, 11]. Ожидается, что дальнейшее улучшение характеристик перовскитных солнечных элементов устранит узкое место в эффективности преобразования и стоимости производства. Как один из наиболее многообещающих новых фотоэлектрических элементов, перовскитные солнечные элементы имеют большую научную ценность и практическое значение. На Рисунке 1 показано быстрое увеличение количества публикаций о перовскитных солнечных элементах и ​​их наилучшей эффективности, сертифицированной NREL.

В этой статье обобщаются достижения в области перовскитных солнечных элементов и подробно описываются структура и принцип работы перовскитных солнечных элементов, конкретная функция и характеристики каждого слоя, а также методы приготовления перовскитных светопоглощающих слоев. Наконец, мы намечаем направления будущих исследований на основе представленных результатов.

2. Конструкции и принцип работы перовскитных солнечных элементов

2.1. Перовскитные материалы для солнечных элементов

Перовскитный материал получают из соединения титаната кальция (CaTiO ₃ ), имеющего молекулярную структуру типа ABX ₃ .Перовскитные материалы привлекают широкое внимание из-за октаэдрической слоистой структуры с кубической решеткой и уникальных оптических, тепловых и электромагнитных свойств. Перовскитные материалы, используемые в солнечных элементах, представляют собой своего рода органическое-неорганическое соединение галогенидов металлов со структурой перовскита, в которой Группа A (метиламмоний, CH ₃ , MA ⁺ или формамидин, FA ⁺ ) находится в вершина гранецентрированной кубической решетки и катион металла B (Pb ²⁺ , Sn ²⁺ и др.) и анион галогена X (Cl ^— , Br ^— , или I ^— , или сосуществование нескольких галогенов) занимают ядро ​​и вершину октаэдров соответственно. Металлогалогенные октаэдры соединены вместе и образуют стержень

.

Перовскитные солнечные элементы | GreenMatch

Что такое перовскиты?

Технология солнечной энергии находится в постоянном развитии, исследуются и производятся новые типы солнечных панелей, чтобы достичь наиболее эффективных технологий. С развитием технологий в секторе возобновляемых источников энергии наблюдается значительный рост активности.

Недавний прорыв в этой области включает производство солнечных панелей, которые состоят из класса материалов, называемых перовскитами, которые обещают обеспечить более дешевые и эффективные солнечные панели.

Результаты исследования перовскита показывают, что использование этих материалов позволило повысить их эффективность в отношении процента доступного солнечного света, который они преобразуют в электричество. Это достигается быстрее, чем любой другой материал солнечных элементов, который производился серийно или разрабатывается в лабораториях.

За годы, когда эти ресурсы были проанализированы, их показатели эффективности выросли примерно с 10 процентов до 20 процентов всего за два года.

Название «перовскиты» произошло от минералога Льва Перовски и было дано материалу под названием оксид кальция и титана. Соединения перовскита, которые используются для изготовления солнечных элементов, не являются оксидом кальция и титана, но имеют одинаковую кристаллическую структуру.

Различные соединения были созданы с использованием минерала, одно из важных содержит метиламмоний, свинец, йод и хлор и может поглощать больший спектр солнечного света, чем кремний. Материал, из которого состоит более 80 процентов солнечных элементов, представленных сегодня на рынке.

До сих пор ни один перовскитный элемент не дебютировал на рынке, но несколько компаний стремятся сделать это в ближайшие несколько лет.

Перовскитовые солнечные элементы массового производства

Наилучшая эффективность лабораторных ячеек в настоящее время достигла 20%, однако для того, чтобы сделать эти ячейки столь же эффективными при массовом производстве, потребуется больше лет, поскольку изготовление большего количества ячеек с постоянным качеством сложнее, чем производство небольшого количества в лаборатории.Прогнозируется, что массовое производство перовскитных солнечных элементов произойдет в ближайшие пару лет, с акцентом на 2017 год.

Еще одним препятствием, замедляющим процесс независимо от степени технологической инновации, является аспект увеличения производства, который включает проектирование различных частей оборудования, которые работают вместе, а также быстрое устранение любых производственных проблем, которые могут возникнуть в процессе.

Один из аспектов, который следует учитывать, — это возникновение конкуренции между разработчиками перовскитных солнечных элементов, которым придется конкурировать по цене и эффективности своей продукции.Более того, они должны доказать, что их элементы могут прослужить столько же, сколько и коммерциализированные кремниевые элементы, которые, как ожидается, по-прежнему будут производить 80% того, что они могли бы оптимально производить через 25 лет. Для преодоления таких препятствий требуется время, тем более что кремниевая технология сама по себе относительно нова и не полностью принята во всех регионах мира.

Другой серьезной проблемой при коммерциализации перовскитных солнечных элементов является защита элементов от влаги, что может значительно снизить их производительность.Это может оказаться критически важным для таких рынков, как Великобритания, где климат в настоящее время может считаться неподходящим для таких солнечных батарей.

Преимущества перовскитных солнечных элементов

Есть много преимуществ солнечной энергии, и одно из преимуществ перовскита, в частности, состоит в том, что он может быть изготовлен из обычных металлов и промышленных химикатов, в отличие от дорогостоящего сырья, используемого в других заменителях кремния.

Материалы на основе перовскита можно также использовать для печати фотоэлектрической электроники непосредственно на стекле или других материалах, что будет дешевле, чем более сложные методы производства тонкопленочных солнечных элементов.В качестве гибридного материала перовскиты обладают не только хорошей эффективностью, но и могут использовать преимущества органических солнечных материалов в виде жидкого раствора.

Распыление перовскита в виде жидкого покрытия на материал подложки позволяет производить солнечные элементы в больших объемах и при гораздо более низких затратах, чем используемые в настоящее время кремниевые солнечные элементы.

Структура перовскитных ячеек позволяет им иметь высокую подвижность носителей заряда и большую длину диффузии, позволяя фотогенерированным электронам перемещаться на большие расстояния без потери энергии.

В результате электроны могут проходить через более толстые солнечные элементы, которые поглощают больше света и, следовательно, производят больше электричества, чем тонкие.

Изменяя состав смеси, можно настроить цвет солнечного элемента на любой желаемый цвет. Это дает элементам огромное преимущество, поскольку их можно изготавливать эстетично, что может привести к тому, что потребители захотят разместить их на своих крышах, поскольку фотоэлектрические приложения, интегрированные в здание, станут более привлекательными.

Кроме того, они могут даже обрабатываться как дополнительные слои поверх кремниевых панелей, где изменение цвета может использоваться для улучшения текущего состояния панелей.

Создание модуля солнечной системы из перовскита, способного выживать на протяжении десятилетий на открытом воздухе, в настоящее время все еще находится на стадии исследований и разработок, но можно сказать наверняка, что потенциал перовскитных солнечных элементов огромен, и если перспективы материала могут быть реализованы, он может полностью революционизировать возможности солнечной энергии.

,

Графитовое покрытие делает солнечные элементы из перовскита водонепроницаемыми

Исследователи использовали графитовую пленку для покрытия перовскитных солнечных элементов и их водонепроницаемости. Предоставлено: Изабелла Поли.

Более дешевый, чистый и экологичный способ получения водородного топлива из воды с использованием солнечного света стал на шаг ближе благодаря новым исследованиям Центра устойчивых химических технологий Университета Бата.

В связи с давлением на мировых лидеров, требующим значительного сокращения выбросов углерода для решения чрезвычайной ситуации, связанной с изменением климата, существует острая необходимость в разработке более экологически чистых альтернатив сжиганию ископаемого топлива.Водород — это альтернатива топливу с нулевым выбросом углерода, которую можно использовать в автомобилях, при этом в качестве отходов образуется только вода.

Его можно получить, расщепляя воду на водород и кислород, однако для этого требуется большое количество электроэнергии. Большая часть электроэнергии производится за счет сжигания метана, поэтому исследователи из Университета Бата разрабатывают новые солнечные батареи, которые используют световую энергию непосредственно для разделения воды.

Большинство солнечных элементов, представленных в настоящее время на рынке, изготовлены из кремния, однако они дороги в производстве и требуют для производства большого количества очень чистого кремния.Они также довольно толстые и тяжелые, что ограничивает возможности их применения.

Перовскитные солнечные элементы, в которых используются материалы с той же трехмерной структурой, что и оксид кальция-титана, дешевле в изготовлении, тоньше и их можно легко печатать на поверхности. Они также работают в условиях низкой освещенности и могут производить более высокое напряжение, чем кремниевые элементы, что означает, что их можно использовать в помещении для питания устройств без необходимости подключения к сети.

Обратной стороной является то, что они нестабильны в воде, что представляет собой огромное препятствие для их развития, а также ограничивает их использование для прямого производства чистого водородного топлива.

Группа ученых и инженеров-химиков из Центра устойчивых химических технологий Университета Бата решила эту проблему с помощью водонепроницаемого покрытия из графита, материала, используемого в грифелях карандашей.

Они проверили гидроизоляцию, погрузив перовскитные элементы с покрытием в воду и используя собранную солнечную энергию для разделения воды на водород и кислород. Ячейки с покрытием проработали под водой 30 часов — на десять часов дольше предыдущего рекорда.

По истечении этого периода клей, прикрепляющий покрытие к ячейкам, не выдержал; ученые предполагают, что использование более сильного клея может стабилизировать клетки еще дольше.

Раньше сплавы, содержащие индий, использовались для защиты солнечных элементов от расщепления воды, однако индий является редким металлом и, следовательно, дорогостоящим, и процесс его добычи не является устойчивым.

Команда Бата вместо этого использовала коммерчески доступный графит, который очень дешев и более экологичен, чем индий.

Доктор Петра Камерон, старший преподаватель химии, сказала: «Технология перовскитных солнечных элементов может сделать солнечную энергию намного более доступной для людей и позволит печатать солнечные элементы на черепице. Однако в настоящее время они действительно нестабильны в воде — солнечной энергии. клетки бесполезны, если они растворяются под дождем! »

«Мы разработали покрытие, которое может обеспечить эффективную гидроизоляцию элементов для различных областей применения. Самое интересное в этом заключается в том, что мы использовали коммерчески доступный графит, который намного дешевле и экологичнее, чем ранее опробованные материалы.«

Перовскитные солнечные элементы производят более высокое напряжение, чем кремниевые, но все же недостаточно для разделения воды с использованием одних только солнечных элементов. Чтобы решить эту проблему, команда добавляет катализаторы, чтобы снизить потребность в энергии, необходимой для запуска реакции.

Изабелла Поли, научный сотрудник Marie Curie FIRE и доктор философии. студент из Центра устойчивых химических технологий сказал: «В настоящее время водородное топливо производится путем сжигания метана, который не является ни чистым, ни экологически безопасным.

«Но мы надеемся, что в будущем мы сможем создавать чистые водородные и кислородные топлива из солнечной энергии, используя перовскитные элементы.«

Исследование опубликовано в журнале открытого доступа Nature Communications .

Добавление тиоцианата гуанидиния в смешанные перовскиты олова-свинца для повышения эффективности солнечных элементов

Дополнительная информация:
Poli, Hintermair, Regue, Kumar, Sackville, Baker, Watson, Eslava & Cameron (2019) «Защищенные графитом фотоаноды перовскита CsPbBr3, функционализированные катализатором окисления воды для выделения кислорода в воде» Nature Communications DOI: 10.1038 / s41467-019-10124-0

Предоставлено
Университет Бата

Цитата :
Графитовое покрытие делает солнечные элементы из перовскита водонепроницаемыми (8 мая 2019 г.)
получено 14 августа 2020
с https: // физ.орг / Новости / 2019-05-графитовое покрытие-перовскит солнечный cells.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

,

Почему солнечные элементы из перовскита такие эффективные

Перовскитные солнечные элементы преобразуют большую часть падающего света непосредственно в полезный ток. Предоставлено: Фабиан Руф / Scilight.

Солнечные элементы с КПД выше 20%, производимые по низким ценам — перовскиты делают это возможным. Теперь исследователи Технологического института Карлсруэ (KIT) получили фундаментальное представление о функциях перовскитных солнечных элементов. Они обнаружили, что связанные состояния электронно-дырочных пар могут образовываться при поглощении света.Тем не менее, эти пары можно легко разделить для протекания тока. Кроме того, они усиливают абсорбцию. Работа ученых опубликована в журнале Applied Physics Letters .

Перовскиты являются одними из самых перспективных материалов для солнечных элементов: при их использовании высокая эффективность может сочетаться с низкой стоимостью производства. Исследования в области фотогальваники сосредоточены на галогенидных перовскитах, которые содержат как органические, так и неорганические соединения и, следовательно, считаются гибридными полупроводниками.«Менее чем за десять лет эти перовскиты претерпели выдающееся развитие. Между тем, перовскитные солнечные элементы преобразуют более 20% падающего света непосредственно в полезный ток», — говорит эксперт по фотоэлектрической энергии д-р Майкл Хеттерих из KIT, который координирует сотрудничество между KIT и Центр солнечной энергии и исследований водорода в Баден-Вюртемберге (ZSW). Огромный потенциал перовскитов также очевиден из тандемных солнечных элементов, которые сочетают в себе полупрозрачный верхний элемент из перовскита с нижним элементом из кремния или диселенида меди-индия-галлия (CIGS).Это позволяет оптимально использовать солнечный спектр.

Текущие исследовательские задачи состоят в повышении долговременной стабильности перовскитных солнечных элементов и замене свинца, который они содержат, экологически более совместимыми элементами. Это требует глубокого понимания структуры и функции слоев перовскита. Исследователи из Института прикладной физики и Института световых технологий KIT, а также из ZSW и Ludwig-Maximilians-Universität München изучают функцию тонкослойных тандемных солнечных элементов на основе перовскитов в рамках CISOVSKIT (разработка высокоэффективных гибридных солнечных элементов. из материалов CIGS и перовскита), финансируемый Федеральным министерством образования и науки (BMBF).И они получили новые открытия, касающиеся физической природы оптических переходов. Об этом сообщается в «Избранной статье» Applied Physics Letters .

Оптические переходы — это изменения энергетического состояния электронов в материале путем испускания (высвобождения) или поглощения (поглощения) фотонов, то есть легких частиц. В своей докторской диссертации Фабиан Руф, который работает в группе профессора Хайнца Кальта, KIT, указывает, что основной оптический переход в солнечных элементах с поглотителем иодида свинца метиламмония, классическим галогенидным перовскитом, имеет экситонную природу.Это означает, что экситоны могут образовываться в солнечных элементах после поглощения световых частиц. Экситоны — это связанные электронно-дырочные пары, которые во многом определяют оптоэлектронные свойства. Энергия связи экситонов должна быть преодолена, чтобы получить свободные носители заряда и заставить ток течь.

С помощью спектроскопии электропоглощения, зависящей от температуры, Фабиан Руф исследовал полупрозрачные солнечные элементы с поглотителями на основе йодида метиламмония и свинца, произведенными Морицем Шультесом из ZSW методом влажной химии.Результаты позволяют сделать выводы относительно экситонных переходов во всем исследованном диапазоне температур, от 10 Кельвин (-263 ° C) до комнатной температуры. В зависимости от кристаллической структуры перовскита, которая изменяется при изменении температуры, энергия связи экситона составляет около 26 и 19 миллиэлектронвольт соответственно. «Следовательно, энергия связи достаточно мала, чтобы обеспечить достаточное тепловое разделение носителей заряда при комнатной температуре», — объясняет Михаэль Хеттерих. «Кроме того, экситонические эффекты усиливают абсорбцию.Оба эффекта вместе обеспечивают эффективную работу перовскитного солнечного элемента ».

Калий повышает эффективность солнечных элементов на основе перовскита

Дополнительная информация:
Fabian Ruf et al. Экситонная природа оптических переходов в спектрах электропоглощения перовскитных солнечных элементов, Applied Physics Letters (2018).DOI: 10.1063 / 1.5017943

Марк Волвертон. Перовскитовые солнечные элементы обнаруживают экситонные оптические переходы, Scilight (2018). DOI: 10.1063 / 1.5026230

Предоставлено
Карлсруэ технологический институт

Ссылка :
Почему перовскитовые солнечные элементы такие эффективные (2018, 25 апреля)
получено 14 августа 2020
с https: // физ.орг / Новости / 2018-04-перовскит солнечная-клетка-efficient.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

,