главная   оптика   волоконная оптика   спектроскопия   лазеры   лазерные системы
 
   
Главная / Оптика / Свет и энергетика / Солнечная энергетика / Перовскитные солнечные элементы
 
 
Оптика /
  Тысячелетняя история развития оптики
  Природа света. Свойства электромагнитного излучения
  Законы оптики и оптические эффекты
  Компоненты оптических схем
  Оптические материалы
  Оптические системы
  Свет и энергетика
  Солнечная энергетика
  Принципы
  Глоссарий
  Зрение
Волоконная оптика
Спектроскопия
Лазеры
Лазерные системы
Телекоммуникации и связь
 
Выставки и конференции
Новости науки и лазерной техники
 
О проекте
Ссылки

 

Перовскитные солнечные элементы

http://compulenta.computerra.ru/

Повсюду ведётся активный поиск альтернативных материалов для производства солнечных ячеек, которые позволили бы отказаться от таких полупроводников, как кремний и арсенид галлия. Несмотря на показываемую 25-процентную эффективность, они слишком дороги и сложны в изготовлении. Да, есть Ячейки Гретцеля, в которых богатый электронами органический краситель абсорбирует солнечный свет и передаёт электронную плотность на полупроводник с широкой запрещённой зоной. Они значительно меньше и проще в производстве, но производительность лучших образцов не превосходит 12% (а чаще заметно ниже 10%).

И вот британские учёные сообщили, что им наконец-то удалось найти достойную замену технологии кремниевых батарей. В Оксфордском университете изготовлен прототип фотоэлектрического преобразователя на основе подложки из инертного оксида алюминия, покрытого высококристаллической фазой органометаллического галогенида. Пока он конвертирует около 11% световой энергии в электрическую, но у разработчиков есть все основания полагать, что последующие образцы вплотную приблизятся к кремниевым чемпионам.

В ячейках Гретцеля электроны с органического красителя, способного эффективно абсорбировать солнечный свет, перетекают на проводящий электрод из диоксида титана. Именно этот материал, TiO2, по мнению авторов новой работы, и есть слабое звено всей системы, не позволяющее ей демонстрировать должную производительность. Связи титан — кислород на поверхности сильно отличаются от таковых в объёме. Из-за воздействия атмосферы на поверхности TiO2 образуются гидроксильные группы (ОН), а также катионы титана. В результате с точки зрения энергии поверхность представляет собой пересечённую местность, где передаваемые органическим красителем электроны могут тормозиться и терять способность к совершению полезной работы.

Поэтому британцы решили поискать новый тип абсорбента среди высококристаллических фаз органометаллических галогенидов, структурно принадлежащих к перовскитам. В итоге был разработан эффективно абсорбирующий световую энергию перовскитный материал — смешанный хлорид-иодид метиламмония свинца с предполагаемой формулой CH3NH3PbI2Cl. Как оказалось, материал также является хорошим проводником заряда, что сделало использование оксида титана просто излишним. Новый перовскит может быть получен в виде кристаллической плёнки на поверхности пористого оксида алюминия, являющегося изолятором; таким образом, все электроны, генерируемые в слое перовскита, будут напрямую передаваться на электрод.

 

2013

Материалы типа хлорид-иодида метиламмония свинца с формулой типа CH3NH3Pb2Cl могут сломать шаблон «либо дорого, либо с низким КПД».

Профессор Мартин Грин (Martin Green) из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия), один из ведущих исследователей в области перовскитных солнечных батарей, замечает, что их можно изготавливать «при помощи очень простой и потенциально дешёвой технологии, при том что их эффективность растёт исключительно быстро». И действительно, группа Михаэля Гретцеля, открывшего одноимённые ячейки и затем переключившегося на их перовскитные варианты, недавно добилась от них КПД в 15,4%. Да, это норма для сегодняшних фотоэлементов из кристаллического кремния, но значительно больше, чем у полимерных солнечных батарей или стандартных ячеек Гретцеля. Главное — материал этот «дешёв, как грязь», по словам самого г-на Гретцеля.

Перовскитные материалы имеют сравнительно простую структуру и не нуждаются для своего производства в энергоёмких и сложных процессах: не требуют вакуумных камер и тысячеградусных температур, как кристаллический кремний, или даже сверхвысокой чистоты самого материала. Его ещё и расходуется меньше, поскольку стандартный фотоэлемент на кремнии в толщину имеет 180 мкм, а перовскитные ячейки — всего 1 мкм, то есть по кубометру на квадратный километр площади. Следовательно, они много легче и требуют более дешёвых поддерживающих конструкций, а также без труда могут наноситься на обычные поверхности вроде домовых стен и пр. В итоге оценка стоимости новых фотоэлементов при массовом производстве весьма заманчива: 10–20 центов за ватт мощности при стоимости нынешних фотоэлементов made in China в 75 центов за ватт (без установки и поддерживающих рам). Напомним, что для ветротурбин общая стоимость той же единицы установленной мощности превышает доллар, а для ТЭС доходит до полутора.

Наконец, сам г-н Гретцель заявляет, что нет никаких причин, по которым КПД перовскитных ячеек не может вырасти до 20–25% при той же цене, а такая эффективность уже равна лучшим кремниевым достижениям в лабораториях. Мы могли принять его слова за оптимизм первооткрывателя, если бы не факты. Они упрямы: в 2009 году, когда появился первый перовскит-фотоэлемент, 3,5% для них были потолком; в прошлом году рекордом стали 11%; сегодня же зафиксирован показатель в 15,4%. Рост КПД в 4,4 раза за четыре года сопровождался резким увеличением ресурса ячеек, нынче доведённого до уровня обычных массовых аналогов.

Причём потенциал роста не исчерпан: материал хорошо проводит заряд — лучше оксида титана, первоначально использовавшегося в ячейках Гретцеля. Электролит в нём твердый, что исключает вероятность замерзания, а перовскитная плёнка на поверхность пористого оксида алюминия (изолятор) наносится обычным накручиванием.

Есть и попытки коммерциализации: Oxford Photovoltaics во главе с Генри Снейтом (Henry Snaith) из Оксфордского университета уже собрала $4,4 млн инвестиций. Учитывая, что оригинальные ячейки Гретцеля на диоксиде титана, несмотря на не столь высокую эффективность, уже коммерциализированы (в том числе на чехлах iPad 'ов), нет оснований сомневаться в неплохом будущем перовскитов.

На первом этапе прямой конкуренции можно избежать: плёнка перовскитного фотоэлемента легко наносится на кремниевую солнечную батарею, резко наращивая её КПД, повышая стоимость не более чем на 20%. Есть и недостаток, конечно: нынешние варианты этого вещества включают некоторое количество свинца, а значит, при широком развёртывании без утилизации они неизбежно попадут в воду и наши кости, делая с ними всё те же ужасные вещи, что и с древнеримскими. Но не стоит драматизировать: квадратный километр перовскитных фотоэлементов содержит куда меньше свинца, чем аккумуляторы 1 000 легковых автомобилей, так что догнать угрозу от свинцовых АКБ у новых ячеек всё равно не выйдет, да и их утилизация не так сложна.

Но положение всё равно не без сложностей: нынешние лабораторные успехи требуют массового тиражирования. Вспомним, что кристаллический кремний в солнечных батареях по своей сути за последние двадцать лет не слишком изменился. Но если в 1993-м он был предметом повышенного интереса в основном в лабораториях, то сегодня кремниево-солнечная энергетика удваивается раз в пять лет, и после очередного скачка в 2018 году цена вырабатываемого ею киловатт-часа должна упасть до 14 центов, то есть ниже той, которую к тому времени будете оплачивать вы, читатель. Несомненно, на действительно массовый уровень перовскитам не выйти ни за пять, ни даже за 15 лет. Но, кажется, к 2030 году немецкая решимость переориентировать свою энергетику на Солнце больше не будет выглядеть экономическим самоубийством — в отличие от российской «равнодоходности», которую нам обещают устроить гораздо раньше.

2014

ГРАФЕНО-ПЕРОВСКИТНЫЕ ФОТОЭЛЕМЕНТЫ ОБОГНАЛИ ГРАФЕНО-КРЕМНИЕВЫЕ

Cоздан фотоэлемент, основанный на графене и перовските, отвечающем за поглощение солнечного света. Казалось бы, изделие далеко не рекордное по всем показателям, но если взглянуть на него чуть пристальнее, то ситуация предстаёт в несколько ином свете.

Авторы разработки — исследователи, занимающаяся изучением устройств фотовольтаики и оптоэлектроники из Университета Хайме I (Кастельон-де-ла-Плана, Валенсия, Испания), ведомые Хуаном Бискертом (Juan Bisquert), и специалисты из Оксфордского университета (Великобритания).
КПД представленной графено-перовскитной солнечной батареи равен 15,6%, то есть приближается к эффективности лучших серийных кремниевых образцов, используемых в мировой альтернативной энергетике. Само по себе это не имело бы значения: менять одно производство, уже устоявшееся технологически, на другое при равном КПД никто не стал бы. Но энергоёмкость новых солнечных батарей очень низка, поскольку процесс их изготовления не требует тысячи-другой градусов (как в «кремниевом» случае). По сути, температура при их производстве вообще не поднимается выше 150 °С, и это показатель высокого класса, потому что все современные аналоги лишь после трёх–четырёх лет работы возвращают нам с вами ту энергию, что была потрачена на их создание.

С теоретической же точки зрения важнее то, что графено-перовскитный гибрид показал КПД выше, чем любой кремниево-графеновый гибрид, то есть с ним, что называется, можно идти в разведку, особенно с учётом того, что перовскит несравнимо дешевле монокристаллического кремния. Иными словами, при том же КПД серийно производимые новые солнечные батареи должны быть дешевле кремниевых.

Но прямо сейчас их внедрения ждать не стоит. И дело не только в том, что массовые методы производства графена находятся в процессе становления. Просто описываемая солнечная батарея — вообще первый подобный образец, характеризующийся столь высокой эффективностью. Правда, авторы разработки уверены, что КПД их детища может быть значительно повышен уже в ближайшее время.

Напомним: в 2009 году, когда появился первый фотоэлемент, использующий перовскит, эффективность в 3,5% была потолком; в 2012-м рекордом стали 11%; сегодня же мы наблюдаем 15,6%, что и впрямь намекает на более высокие цифры в обозримой перспективе.
 

Структура перовскитного солнечного элемента Структура перовскитного солнечного элемента

 
Кафедра Лазерной техники БГТУ 'Военмех'

Онлайн-конвертер

 
         
 
  разработка сайта NINSIS   190005, Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, д. 1
тел/факс: +7 (812) 316-49-09
www.laser-portal.ru