Перовскитные солнечные элементы принцип работы

Перовскитные солнечные элементы принцип работы

Ученые разработали долговечные перовскитные фотоэлектрические батареи, способные вырабатывать энергию в течение более 1000 часов непрерывной работы с эффективностью более 20%

реклама

Перовскитные солнечные элементы (ПСЭ) являются потенциально перспективной технологией солнечных элементов нового поколения. Они обладают рядом преимуществ благодаря простоте изготовления, низкой стоимости и способности производить прозрачные, гибкие устройства с высокими эксплуатационными характеристиками.

Схема перовскитного солнечного элемента (слева), его структура (посередине) и молекулы, интегрированные в его интерфейс (справа). Credit: NIMS

реклама

Однако у перовскитных солнечных элементов есть свои недостатки. Они подвержены деградации при реакции с молекулами воды. Кроме того, очень сложно сделать их одновременно долговечными и высокоэффективными.

Недавно специалисты Национального института материаловедения (NIMS) создали перовскитовый солнечный элемент (площадью 1 квадратный сантиметр), который способен вырабатывать электроэнергию в течение 1 000 часов. При этом эффективность фотоэлектрического преобразования (эффективность выработки электроэнергии) в условиях воздействия солнечного света составила более 20%. Поскольку этот солнечный элемент может быть изготовлен на поверхности пластикового материала при температуре около 100°C, эта техника может быть использована для разработки легких, универсальных солнечных ячеек.

В подавляющем большинстве перовскитных солнечных элементов, при поглощении солнечного света перовскитным слоем, в нем генерируются электроны и дырки. Затем эти электроны и дырки мигрируют соответственно в электроно-транспортный слой и дырочно-транспортный слой , создавая электрический ток. Чтобы одновременно повысить эффективность и долговечность перовскитных солнечных батарей, эти слои и интерфейсы между ними должны обеспечивать более свободное перемещение электронов и дырок, обеспечивая при этом непроницаемость интерфейсов для молекул воды.

Исследовательская группа NIMS нанесла производное гидразина, содержащее водоотталкивающие атомы фтора (5F-PHZ), на границу раздела между электронно-транспортным слоем и слоем перовскита. По словам команды, этот интерфейс успешно предотвращает контакт молекул воды, проникших в электронно-транспортный слой, с перовскитовым покрытием. Это привело к повышению долговечности солнечного элемента. Использование интерфейса также уменьшило количество кристаллических дефектов, образовавшихся на поверхности перовскитового слоя — причину снижения эффективности производства энергии.

Кроме того, команда добавила производное фосфоновой кислоты в интерфейс между дырочным транспортным слоем и слоем перовскита. Это минимизировало образование дефектов в дырочном транспортном слое и тем самым повысило эффективность генерации энергии солнечного элемента.

В будущем специалисты планируют разработать более эффективные и долговечные перовскитовые фотоэлементы. Эксперты намерены создать базу данных молекул, которые могут быть интегрированы в интерфейс, провести исследования на основе данных и разработать молекулы, которые можно использовать для улучшения межфазных свойств.

Перовскитные солнечные батареи — что может предложить новая технология?

Солнечные элементы с эффективностью выше 20% и низкой себестоимостью – перовскиты делают это возможным.

Термические, механико-химические и FRELP-процессы переработки используются для переработки кремниевых солнечных панелей, обычно используемых сегодня.

К сожалению, все эти методы еще далеко не позволяют назвать солнечные батареи полностью экологичным вариантом. Но эта ситуация вот-вот изменится, так как ученые придумали возможное решение. Это создание солнечных панелей из перерабатываемого перовскита.

Перовскиты являются одними из самых перспективных материалов для солнечных батарей: при их использовании высокая эффективность может сочетаться с низкой себестоимостью производства.

Что такое перовскит?

Перовскиты представляют собой большой класс материалов с кристаллической структурой, подобной минералу под названием перовскит (CaTiO3).

Их общая химическая формула ABX3, где A и B — катионы, а X — анион. Поэтому перовскиты предлагают большое количество возможных комбинаций химического состава и рассматриваются как материал для нового поколения солнечных элементов.

Исследования в области фотовольтаики сосредоточены на галогенидных перовскитах, которые содержат как органические, так и неорганические соединения и, следовательно, они считаются гибридными полупроводниками.

В 2009 году, когда была представлена первая технология солнечных батарей с использованием перовскита, это не была революционная технология, поскольку ее эффективность составляла всего около 4%.

Через четыре года за идею подхватили ученые из Оксфордского университета, которым удалось повысить КПД до 15%. К сожалению, это была еще почти половина того значения, которое нужно было достичь, чтобы можно было говорить о возможности сравнения с кремниевыми фотоэлементами.

Перовскит

Как делают солнечные батареи из перовскита

По сравнению с кремнием перовскит имеет то преимущество, что для создания перовскитной батареи достаточно его тонкого слоя.

Их можно легко изготовить из поваренной соли с помощью низкотемпературных процессов, таких как центрифугирование, и их можно превратить в чернила и напечатать на гибких подложках для формирования гибких солнечных элементов.

Для нанесения перовскита используется метод, при котором его слой напыляется с последующим отжигом. Его также можно применять с использованием вапоризации или двойной вапоризации.

Основным преимуществом при применении перовскита является то, что это простое и дешевое решение.

Этот материал также имеет высокий коэффициент поглощения, что означает, что он поглощает весь видимый солнечный спектр, соответсвенно, перовскитные фотоэлементы могут быть спроектированы так, чтобы поглощать солнечные волны более эффективно, чем фотоэлементы из кремния.

Таким образом, солнечные элементы из перовскитов могут стать намного тоньше, дешевле, эффективнее, легче и, прежде всего, они станут более экологичными.

В то время как производство обычных кремниевых элементов требует дорогостоящей лабораторной среды, где необходимо достичь высоких температур и вакуума, перовскит требует только использования химических веществ и, таким образом, гораздо менее требователен.

Интересный факт: 35 кг перовскита могут производить такое же количество энергии, как 7 тонн кремния.

Новейшие исследования и технологии

КПД преобразования солнечной энергии в электрическую обычно составляет около 20% (максимальное значение около 26%) для классических солнечных элементов на основе кристаллического кремния.

Основными причинами более низкой эффективности фотовольтаического преобразования являются потеря фотонов с энергией меньше ширины запрещенной зоны кремния (1,1 эВ) и термализация фотогенерированных носителей заряда. Из-за пропускания и тепловых потерь используется только часть спектра солнечного света.

В 2018 году компания Oxford Photovoltaics продемонстрировала демонстрационный солнечный элемент, в котором сочетаются кремний и перовскит. КПД этого устройства поднялся до 26,7%.

Еще лучшего результата добился проект китайской компании Microquanta Semiconductor. В 2019 году ее исследовательская группа установила рекорд эффективности преобразования 14,24% для полностью перовскитового солнечного модуля большой площади (200 x 800 см 2 ).

В мае она объявила о мировом рекорде эффективности преобразования 20,2% на солнечной батарее «третьего поколения» площадью 20 см 2 .

Сообщается, что самый высокий КПД для солнечной батареи из перовскита компании Microquanta Semiconductor площадью 19,3 см 2 составляет 24,1%.

Разработчики в основном обращают внимание на то, что перовскитные элементы до сих пор не приняты в основном из-за сниженного срока службы. По их словам, это произошло из-за использования дешевых и некачественных материалов.

Этот проект также получил субсидию Евросоюза по программе Horizon 2020 и предполагается, что поставляемые на рынок элементы должны иметь КПД не менее 22%.

Сравнение технологий фотоэлектрических элементов по КПД:

• Кремний — 15-20%
• Перовскит — 20-27%

В июне 2022 года два новых тандемных кремниево-перовскитных солнечных элемента, которые создали ученые из корейско-швейцарской исследовательской группы EPFL и CSEM, достигли КПД в 30%. Эти элементы показали стабильность работы в течение 450 часов.

Преимущества и недостатки перовскитовых ячеек

Свет состоит из волн разной длины. Перовскитные фотоэлементы реагируют на очень широкий спектр света и, таким образом, становятся более эффективными.

Будучи тоньше, они также обеспечивают большую гибкость формы, что делает их более пригодными для использования в архитектуре.

Также они легкие и более прозрачные, поэтому кроме структуры не должны нарушать эстетический вид здания.

В то же время они более доступны по цене, так как не так требовательны в производстве, как кремниевые элементы.

Однако противники технологии отмечают, что перовскитные фотоэлементы могут быть токсичными из-за присутствия свинца.

Достоинства перовскитовых ячеек:

• Гибкость и небольшой вес;
• Высокая производительность при слабом освещении;
• Индивидуальные формы и цвета;
• Экологически чистая обработка;
• Простое масштабирование.

Перовскитные солнечные элементы преобразуют большую часть падающего света непосредственно в электрический ток

Первые солнечные батареи по новой технологии

В 2020 году польская компания Saule Technologies выпустила на рынок первые солнечные батареи из перовскита. Ольга Малинкевич, соучредитель и технический директор компании, открыла и запатентовала метод печати перовскитом на гибкой фольге.

С тех пор Saule Technologies собрала международную команду ученых и инженеров для расширения возможностей перовскитной солнечной энергетики.

Впервые Saule Technologies продемонстрировала свою новаторскую фотоэлектрическую технологию на основе перовскитов на выставке Expo 2020 Dubai.

Посетители могли заряжать свои телефоны с помощью солнечной энергии от фотоэлектрической системы, встроенной в фасад. Благодаря технологии струйной печати тонкие и гибкие ячейки перовскита были встроены непосредственно во внешнюю стену павильона, что соответствовало его архитектурному стилю.

Система зарядки телефонов на выставке в Дубае

Система с общей номинальной мощностью 200 Вт обеспечивала зарядку смартфонов с использованием 8 USB-портов и карманов для телефонов, облегчающих хранение устройства во время зарядки.

Перовскитные элементы высокоэффективны как при естественном, так и при искусственном освещении, что делало эту зарядную зарядную станцию полезной и в вечерние часы.

Гибкие перовскитные фотогальванические устройства, производимые Saule, очень хорошо подходят для питания электронных устройств в условиях низкой освещенности внутри помещений, что делает их идеальным решением для различных приложений Интернета вещей (IoT).

Ближе к концу 2020 года свои перовскитные солнечные батареи продемонстрировала китайская компания Microquanta Semiconductor, а затем Oxford PV из Великобритании — дочерняя компания Оксфордского университета.

В компании Oxford PV трудится профессор Генри Снейт, получивший премию Беккереля за свою работу, подробно описывающую перовскитные солнечные батареи.

Интересный факт: Премия Беккереля присуждается личностям, внесшим значительный вклад в исследования в области науки, техники и, главным образом, в области солнечной энергетики.

Генри Снейт перевел свою лабораторию прямо из Оксфордского университета и задался целью создать экологически чистый, устойчивый и недорогой вариант фотоэлектрических панелей.

Ученые из Oxford PV добились рекордных результатов. Пока это технология, при которой на кремниевую основу наносится слой перовскита. Однако со временем разработчики рассчитывают, что кремниевый слой можно будет удалить полностью.

Согласно их пресс-релизу, Oxford PV ожидает, что к 2050 году их фотоэлектрические элементы смогут генерировать до 50% электроэнергии в мире.

В феврале 2022 года китайский производитель перовскитовых элементов Microquanta Semiconductor объявил в среду о начале строительства наземной солнечной электростанции мощностью 12 МВт в городе Цюйчжоу, провинция Чжэцзян.

В заявлении компании говорится, что этот объект станет первым в Китае солнечным проектом коммунального масштаба, в котором будут использоваться солнечные модули из перовскита.

Солнцезащитные жалюзи из перовскита

Мировая премьера солнцезащитной установки с перовскитными солнечными модулями состоялась в Люблине (Польша) 24 августа. Компания Saule Technologies запустила первую установку с фотогальваническими жалюзями – солнцезащитными экранами с перовскитными солнечными элементами.

Здание с фотоэлектрическими жалюзями

Эта первая в мире коммерческая реализация технологии перовскитных солнечных элементов стала результатом сотрудничества Saule Technologiesс заказчиком — компанией Aliplast.

Жалюзи-солнцезащитные шторки, представленные на премьере в Люблине, не только защищают здание от перегрева или охлаждения, значительно снижая затраты на кондиционирование и отопление. В то же время они производят чистую энергию от солнечного освещения.

Благодаря системе автоматизации Animeo от Somfy профили с перовскитовыми модулями взаимодействуют с метеостанцией, установленной на крышах. Используя данные о погоде в реальном времени и отслеживание солнца, они автоматически меняют свое положение в зависимости от движения солнца.

Это решение обеспечивает энергоэффективность объекта и гарантирует тепловой комфорт и защиту от слишком яркого света для пользователей здания – независимо от времени года.

В фотогальванике солнечные солнцезащитные жалюзи открывают новые рыночные возможности с огромным потенциалом роста: фасады зданий, там где традиционные кремниевые фотоэлементы, тяжелые и неэффективные при неоптимальном освещении, не выдерживают конкуренции.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Солнечные батареи из перовскита

Перовскит (или титанат кальция) является одним из самых распространенных на земле минералов. Он был открыт немецкими геологами более 170 лет назад, и до последнего времени широко использовался преимущественно в качестве диэлектрика. Когда на свет появились первые солнечные батареи, перовскитные элементы для их создания не рассматривались. Причиной была невозможность добиться его длительной устойчивости при генерации энергии, что является сложной инженерной задачей даже сегодня.

Электротехнические свойства перовскита

Интерес к минералу, как потенциальному полупроводнику для фотоэлектрических систем, возник только в 21 веке, с появлением тонкопленочных технологий. Первые же эксперименты подтвердили, что передачу электрического заряда перовскитные солнечные элементы осуществляют ничуть не хуже «классики» из кремния. Но при этом удельное поглощение одного и того же количества излучения достигалось при толщине:

• кремниевой пластины – 180 мкм;
• перовскитной пленки – 1 мкм.

Причиной оказалась примерно во столько же раз большая эффективная ширина поглощающего спектра у неприметного минерала. Более того, добыча в промышленных масштабах титаната кальция дешевле, а его производство проще.

Почему же перовскитные солнечные панели уже сегодня не вытеснили с рынка кремний? Причина – в некоторых физико-технических особенностях этого природного материала.

Недостатки титаната кальция и поиски их устранения

Структурно молекула минерала CaTiO3 включает три химических элемента:

• кальций — Ca;
• титан — Ti;
• кислород — O.

В кристаллической решетке они располагаются особенным образом, что диктует физико-химические свойства поведения материала при различных электрохимических реакциях.

Главной проблемой получения энергии из этого фантастически перспективного полупроводника является быстрая потеря стабильности его структуры под воздействием высокой температуры.

Устранить данный недостаток можно было только одним путем – перестроить расположение молекул внутри слоя вещества. Этот процесс идет до сих пор, и каждая новая модификация структуры становится все более стабильной, а солнечные перовскитные элементы – производительней.

Примерная динамика совершенствования фотоэлектрических ячеек на базе CaTiO3 выглядит следующим образом:

В процессе поиска оптимальных решений инженерами было найдено еще одно, компромиссное решение использования уникальных свойств титаната кальция. Так на свет появились тандемные фотоэлектрические батареи, в которых слой перовскита работал параллельно со слоем электроактивного силикона.

В опытных образцах 2021 года прототипы таких панелей показывали эффективность 26,3%, промышленных – 23-25%.

При этом структурная целостность без потери эксплуатационных характеристик по расчетам должна сохраняться от 3 до 5 лет. Что, при кратно более низкой цене производства, уже сделает перовскитные солнечные батареи очень серьезным конкурентом классики.

Преимущества инновационных панелей 3-го поколения

Наряду с фотовольтаикой на базе полимеров и органики, тонкопленочные перовскиты относят к третьему поколению гелио панелей. Для них характерен ряд важных достоинств.

1. Неорганическая структура. Отсутствие в составе органики кардинально улучшает термическую устойчивость ячеек, и, как следствие, снижает скорость их деградации.
2. Широкий спектр диапазона поглощения. Для еще большего повышения генерации последние модели панелей содержат в своем составе марганец.
3. Возможность использовать в роли электродов углерод вместо золота. Токопроводимость при переносе энергии с перовскитных ячеек на проводники это не уменьшило, но себестоимость пленок сократило значительно.
4. Высокая скорость и доступность оборудования для изготовления. Перовскитные солнечные панели сегодня можно напечатать на 3D-принтере среднего уровня. Более того, на выходе несложно получать целые рулоны пленки с возможностью их дальнейшей нарезки при сохранении эксплуатационных качеств каждого отрезка.
5. Экологическая чистота. Пленки на базе CaTiO3, в т.ч. гетероструктурные, не содержат в своем составе экологически опасные химические элементы. Это сильно упрощает процесс их последующей утилизации и не требует установки дорогостоящих улавливателей канцерогенов на стадии производства.

Решение проблемы долговечности за счет инкапсулирования

Долгое время специалистами велись яростные дискуссии относительно проблемы недолговечности перовскитных элементов. Вплоть до 2020 года считалось, что в ближайшем будущем повысить срок их эффективной службы более, чем до 1,5-2 лет, не удастся. Однако именно в этот году удалось открыть технологию инкакпсулирования – «сплошного» запечатывания ячеек из титаната кальция в специальную капсулу.

Для сохранения КПД панелей требовалось не просто создать единой целое из перовскитной «начинки» и внешнего сплошного покрытия. Последнее должно было представлять собой внешний слой «капсулы» с таким набором свойств:

• абсолютной влаго- и особенно термоустойчивостью;
• практически бесконечным сроком сохранения целостности, а также механической и химической прочности;
• предельно малым весом;
• максимальной прозрачностью.

Таким материалом стало сложное стеклянно-полимерное соединение, удовлетворяющее всем заданным свойствам. Претерпели изменения и сами перовскитные солнечные элементы. Теперь они состояли не из одного, а двух разновидностей модифицированного минерала, со сложными формулами Cs0.05FA0.8MA0.15Pb(I0.85Br0.15)3 и FA0.85MA0.15Pb(I0.85Br0.15)3.

Создателям тандема стала группа ученых из Нового Южного Уэльса (Австралия), а образцы на испытаниях показали следующие результаты, присущие обязательному стандарту IEC61215:2016:

• 1000 часов непрерывной работы при t= +85°C (новые панели продержались 1800 часов);
• 40 циклов суточных температурных перепадов от — 40°C до +85°C (имитация экстремальных условий) – новинка выдержала 75 циклов;
• сохранение не менее 90% КПД при каждом из испытаний.

Кроме того, солнечные панели из перовскита в капсулах из стеклополиизобутилена (PIB) продемонстрировали КПД свыше 25%.

ИТМО: Перовскитные солнечные элементы с повышенной эффективностью

2023: Анонс перовскитных солнечных элементов с повышенной эффективностью

Физики ИТМО, Алферовского университета и римского университета Тор Вергата разработали перовскитные солнечные элементы с повышенной эффективностью. Оптимизировать характеристики солнечных батарей удалось с помощью полупроводников в виде нитевидных нанокристаллов. Предложенная технология открывает дополнительные возможности в создании солнечных электростанций и оптических устройств следующего поколения. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Energy Materials. Об этом 5 апреля 2023 года сообщили представители ИТМО.

Перовскитные солнечные элементы с повышенной эффективностью

Как сообщалось, солнечные батареи из перовскита в обозримом будущем могут заменить привычные солнечные панели из кремния. Они достаточно просты в изготовлении, при этом способны вырабатывать то же количество электроэнергии с одной и той же площади, что и кремниевые. Максимальное значение КПД, которое на апрель 2023 года удалось достичь ученым, — около 25%. Чтобы оптимизировать эффективность, чаще всего в состав перовскитных пленок включают дополнительные вещества — например, наноматериалы.

Российские и итальянские исследователи провели эксперименты с достаточно перспективным классом соединений A3B5 — полупроводниковыми материалами. Это нитевидные нанокристаллы, по своей структуре напоминающие наноиголки. Среди других проводников их выделяют подходящие электрофизические свойства: они отлично поглощают свет, имеют низкие оптические потери, оптимальную теплопроводность и участвуют в переносе зарядов. Для перовскитных солнечных батарей эти вещества использовались впервые. Благодаря им ученые смогли увеличить эффективность преобразования света в электричество с 17% до 18,8%.

рассказал Александра Фурасова, первый автор проекта, младший научный сотрудник физического факультета ИТМО

По словам авторов проекта, 18,8% — это не предел эффективности гибридных солнечных батарей. Они планируют продолжить эксперименты и с другими полупроводниками A3B5, чтобы найти тот, который позволит получить максимальный КПД. Исследование ученых поможет в создании много переходных солнечных элементов (несколько солнечных элементов, объединенных в один, каждая часть из которого поглощает определенную часть солнечного спектра). Такие устройства в будущем можно будет использовать для выработки электричества в космосе, а также развития автономных маломощных гаджетов (например, беспроводных сенсоров и датчиков). Как зародилась масштабная коррупционная схема при внедрении ИТ в ПФР при участии «Техносерва» и «Редсис». Подробности

Проект поддержан Министерством науки и высшего образования РФ (Проект 075-15-2021-1349) и Российском научным фондом (грант № 22-79-10286).

Смотрите также