Солнечные батареи на основе перовскитe можно будет печатать на 3д-принтерах

Солнечные батареи на основе перовскитe можно будет печатать на 3д-принтерах

На сегодняшний день существует более десятка видов солнечных батарей. Одна их часть использует кремний, вторая – редкоземельные элементы, третья – различные экзотические материалы. Но «святым Граалем» для инженеров свыше полувека оставалась мечта найти предельно дешевый, экологически чистый, повсеместно распространенный и хорошо поглощающий свет элемент. Исследователи Массачусетского технологического института – знаменитого MIT – полагают, что на эту роль претендует перовскит. Добавляя, что солнечные панели из этого минерала можно будет печатать, как газеты.

Солнечные батареи из перовскита

Остановимся на истории, свойствах и достоинствах перовскитных панелей более подробно.

История обнаружения и использования перовскита

В природе перовскиты, или титанаты кальция, встречаются практически повсеместно. Эти невзрачные камешки впервые обнаружил немецкий специалист в минералогии Густав Розе. Поскольку залежи были выявлены на Урале в 1839 году, минерал был назван именем выдающегося графа Льва Перовского – героя войны с Наполеоном, владельца огромной коллекции редких камней, российского геолога, министра и любимца императора Николая I.

Почти 100 лет перовскит в промышленном производстве не использовался, а в современную эпоху применялся только как диэлектрик для керамических конденсаторов. Его способности к поглощению и преобразованию электромагнитного излучения обнаружились совсем недавно, причем эффективность оказалась невероятно большой.

Преимущества перовскита перед кремнием

Сравнительные характеристики с другими популярными материалами у титаната кальция таковы.

  • Для поглощения необходимого числа фотонов кремниевая ячейка комплектуется слоем этого полупроводника толщиной 180 микрон. За счет огромной поглощающей способности и ширины спектра захвата то же количество энергии обеспечит перовскитовая пленка толщиной всего 1 микрон.
  • Себестоимость производства панели на базе Mono-Si составляет около $0,70-0,75 за 1 Вт. Для CaTiO3 диапазон затрат равен $0,10-0,15 за 1 Вт, или в 5-7 раз меньше.
  • Перовскит уступает по удельной эффективности редкоземельным элементам, но при ничтожной стоимости и отсутствии в составе вредных веществ в массовом производстве ему вскоре не будет равных.

Ученым и инженерам остается лишь устранить недостатки технологических процессов, связанных с низкой химической устойчивостью CaTiO3 к электролитической среде.

Исследования по оценке эффективности

Изначально главной проблемой перовскитных ячеек являлась сложность повышения КПД преобразования поглощенной солнечной энергии в электрический ток, связанная с невозможностью использовать жидкий электролит. Переход на твердый состав сразу удвоил первоначальную эффективность в 3,5%, а новые технологии обработки кристаллов повысили КПД до 15%. К 2022-2023 специалисты ожидают рост до 25%, над чем сейчас работают сразу несколько коллективов под руководством:

  • Г.Сайнта, Ф.Дешлера (Оксфорд, США);
  • М. Гретцеля (Лозанна, Швейцария).
  • Сук Сан Иля (Сеул, Южная Корея);
  • М. Грина (Мельбурн, Австралия) и др.

Панели можно будет печатать, как газеты

Дальше прочих на сегодня продвинулась группа корейцев. Профессор Иль, путем ввода в структуру минерала небольших количеств йодидов, формамидинов и метиламмониев, уже вышел на показатель 18%, превратив рабочий материал в готовую для печати 3D-принтером смесь.

Технические проблемы еще остаются – например, неудобный максимальный размер ячеек всего в 10 мм2 – но все они решаемы. Будущее изготовление элементов планируется осуществлять по давно отработанной технологии послойного напыления, где перовскитным будет лишь один из них, а остальные – защитными, токопроводящими, антиотражающими и т.д.

Важно! Солнечные покрытия на базе перовскита в будущем сможет напылять специальным пульверизатором на любую поверхность всего один человек. По расчетам, это удешевит технологию еще в 7-8 раз.

Дополнительные преимущества перовскита

Сегодня принцип работы солнечных батарей для дома любого типа состоит в разовом поглощении солнечных фотонов и преобразовании их в электрический ток. Поскольку полупроводниковый p/n переход не совершается с эффективностью 100%, часть энергии безвозвратно теряется.

С перовскитовыми пленками это не так. Часть заряда, которая не прошла через проводящий слой, снова возвращается в виде фотонов обратно. Создание конструкции, которая окажется способной поглотить и эти фотоны, увеличит КПД еще больше. Подобный эксперимент осуществила группа Ф.Дешлера с помощью лазера, освещая тончайший срез CaTiO3 толщиной 0,5 мкм.

Это делает возможности перовскита колоссальными, и наверняка буквально «похоронит» не только кремниевых конкурентов, но и ускорит полный отказ от ДВС на транспорте.

Стоимость внедрения на рынок напечатанных батарей

Ежегодно прямые инвестиции в солнечную энергетику составляют, по данным агентства Блумберг, $200 — 300 млрд. Внедрение на мировой рынок новой перовскитной технологии потребует сумм в 10 тысяч раз меньших. Однако проблема заключается в том, что все, кто сейчас получает прибыль на старых батареях, не будут заменять их новыми до износа прежних.

Поэтому совместное исследование Мин.энергетики США и аналогичной структуры Сингапура пришло к выводу, что главными нишами внедрения панелей из перовскита должен стать «интернет вещей» и новые «умные дома» на энергетическом самообеспечении. А промышленное производство крупных партий для СЭС придет позже, примерно к 2030 году.

Защитное покрытие для панелей из перовскита

Весомый вклад в улучшение батарей не только будущего, но и настоящего внес в начале 2020 года коллектив инженеров-физиков MIT.

Для снижения отражающей способности текстурированного покрытия ячеек принято использовать оксид индия-олова (IPbO). Недостаток таких пленок – в их хрупкости и ядовитости, что требует дополнительных расходов на стадии утилизации. Массачусетские технологи создали принципиально новое, полимерное покрытие PEDOT – почти в 10 раз более эффективное.

Демонстрация возможностей покрытия на ячейках из перовскита показала соответствующий рост их производительности и механической устойчивости.

Нынешняя альтернатива перовскитам

Пока панели на базе CaTiO3 находятся в стадии разработок и испытания прототипов, лучшей заменой им в климатических условиях средней полосы следует назвать тонкопленочные гибриды с основным слоем из теллурида кадмия – CdTe. При больших углах падения света, рассеянном освещении и неблагоприятных погодных условиях они обеспечивают вчетверо меньшие потери, чем кремний. Это дает примерно 20% прироста ежегодной производительности.

Компания Green Tech Trade предлагает именно такие панели от мирового гранда №1 в их производстве – фирмы First Solar (США). По вопросам приобретения оборудования и заказам его монтажа обращайтесь к нашим менеджерам или оставляйте заявку на сайте.

Приглашаем к взаимовыгодному сотрудничеству!

СТРОИТЕЛЬСТВО СОЛНЕЧНЫХ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ "ПОД КЛЮЧ"

ГОТОВЫЕ ИНВЕСТИЦИОННЫЕ ПРОЕКТЫ