Світ сонячної енергії готовий до революції. Вчені намагаються розробити новий тип сонячної батареї з використанням матеріалів, які можуть перетворювати електроенергію ефективніше, ніж сучасні панелі.
У новій статті, опублікованій в журналі Nature Energy, дослідник Боулдерського університету Колорадо та його міжнародні співробітники оприлюднили інноваційний метод виробництва нових сонячних елементів, відомих як перовскітні елементи, досягнення, критичне для комерціалізації того, що багато хто вважає наступним поколінням. сонячних технологій.
Сьогодні майже всі сонячні панелі виготовляються з кремнію, ефективність якого становить 22%. Це означає, що кремнієві панелі можуть перетворювати приблизно одну п’яту сонячної енергії в електрику, оскільки матеріал поглинає лише обмежену частину довжин хвиль сонячного світла. Виробництво кремнію також є дорогим і енергоємним.
Введіть перовскіт. Синтетичний напівпровідниковий матеріал може перетворювати значно більше сонячної енергії, ніж кремній, за нижчої вартості виробництва.
«Перовскіти можуть змінити правила гри», — сказав Майкл МакГіхі, професор кафедри хімічної та біологічної інженерії та співробітник Інституту відновлюваної та стійкої енергії CU Boulder.
Підвищення ефективності за допомогою інновацій
Вчені тестували перовскітові сонячні елементи, укладаючи їх поверх традиційних кремнієвих елементів, щоб створити тандемні елементи. Пошарування двох матеріалів, кожен з яких поглинає різну частину сонячного спектра, потенційно може збільшити ефективність панелей більш ніж на 50%.
«Ми все ще спостерігаємо швидку електрифікацію, де більше автомобілів працюють без електрики. Ми сподіваємося вивести з експлуатації більше вугільних електростанцій і врешті-решт позбутися заводів, що працюють на природному газі», – сказав МакГіхі. «Якщо ви вірите, що у нас буде повністю відновлюване майбутнє, тоді ви плануєте, що ринки вітру та сонячної енергії зростуть щонайменше в п’ять-десять разів порівняно з поточним».
Щоб досягти цього, сказав він, промисловість повинна підвищити ефективність сонячних батарей.
Але головною проблемою при виробництві їх із перовскіту в промислових масштабах є процес нанесення напівпровідника на скляні пластини, які є будівельними блоками панелей. Зараз процес нанесення покриття має відбуватися в невеликій коробці, наповненій нереактивним газом, таким як азот, щоб запобігти реакції перовскітів з киснем, що знижує їх продуктивність.
«На етапі дослідження це нормально. Але коли ви починаєте наносити покриття на великі шматки скла, стає все важче і важче робити це в заповненій азотом коробці», — сказав Макгіхі.
МакГіхі та його співробітники вирішили знайти спосіб запобігти цій шкідливій реакції з повітрям. Вони виявили, що додавання форміату диметиламонію, або DMAFo, до розчину перовскіту перед покриттям може запобігти окисленню матеріалів. Це відкриття дозволяє наносити покриття за межами маленької коробки, у навколишньому повітрі. Експерименти показали, що перовскітні клітини, виготовлені з добавкою DMAFo, можуть самостійно досягти ефективності майже 25%, що можна порівняти з поточним рекордом ефективності для перовскітних клітин у 26%.
Добавка також покращила стабільність клітин.
Майбутні перспективи та застосування
Комерційні кремнієві панелі зазвичай можуть зберігати щонайменше 80% своєї продуктивності через 25 років, втрачаючи приблизно 1% ефективності на рік. Проте клітини перовскіту більш реакційноздатні та швидше розкладаються на повітрі. Нове дослідження показало, що перовскітова клітина, виготовлена з DMAFo, зберегла 90% своєї ефективності після того, як дослідники піддали їх світлодіодному світлу, яке імітує сонячне світло, протягом 700 годин. Навпаки, клітини, виготовлені на повітрі без ДМАФо, швидко деградували лише через 300 годин.
Хоча це дуже обнадійливий результат, за рік є 8000 годин, зазначив він. Тож потрібні триваліші тести, щоб визначити, як ці клітини витримують протягом тривалого часу.
«Занадто рано говорити, що вони такі ж стабільні, як кремнієві панелі, але ми на хорошому шляху до цього», — сказав МакГіхі.
Дослідження наближає перовскітні сонячні елементи на крок ближче до комерціалізації. В той самий час команда МакГіхі активно розробляє тандемні елементи з ефективністю понад 30% у реальному світі, які мають такий самий термін служби, як і кремнієві панелі.
McGehee очолює американське академічно-промислове партнерство під назвою Tandems for Efficient and Advanced Modules using Ultrastable Perovskites (TEAMUP). Разом із дослідниками з трьох інших університетів, двох компаній і національної лабораторії минулого року консорціум отримав 9 мільйонів доларів від Міністерства енергетики США для розробки стабільних тандемних перовскітів, які можна реально використовувати в реальному світі та є комерційно життєздатними. Мета полягає в тому, щоб створити тандем, більш ефективний, ніж звичайні кремнієві панелі, і однаково стабільний протягом 25 років.
Завдяки вищій ефективності та потенційно нижчій ціні ці тандемні елементи можуть мати ширше застосування, ніж існуючі кремнієві панелі, включаючи можливе встановлення на дахах електромобілів. Вони могли б збільшити запас ходу від 15 до 25 миль на день до автомобіля, який залишили на сонці, цього достатньо, щоб покривати щоденні поїздки багатьох людей. Безпілотники та вітрильники також можуть працювати від таких панелей.
Після десятиліття досліджень перовскітів інженери побудували перовскітні клітини, які є такими ж ефективними, як кремнієві елементи, які були винайдені 70 років тому, сказав МакГіхі. «Ми виводимо перовскіти на фінішну пряму. Якщо тандеми спрацюють добре, вони, безсумнівно, мають потенціал домінувати на ринку та стати наступним поколінням сонячних батарей», — сказав він.
