Perovskite saules paneļi

Viela, kas zinātniekiem zināma vairāk nekā simts gadus, tikai šodien, XXI gadsimta sākumā, tā izrādījās ļoti daudzsološs materiāls lētu un efektīvu saules bateriju ražošanai. Perovskītu jeb kalcija titanātu, ko vispirms 1839. gadā vācu ģeologs Gustavs Rosa atrada minerālu formā Urālu kalnos un nosauca grāfa Leva Aleksejeviča Perovska vārdā - slavenais valstsvīrs un minerālu kolekcionārs, 1812. gada Tēvijas kara varonis, izrādījās vispiemērotākais sāncensis silīcija alternatīvas loma saules bateriju ražošanā.

Kā viela vēl nesen kalcija titanātu plaši izmantoja tikai kā dielektriku daudzslāņu keramikas kondensatoriem. Un tagad viņi mēģina to izmantot, lai izveidotu ļoti efektīvus saules paneļus, jo izrādījās, ka šis materiāls lieliski absorbē gaismu.

Parasts, garš tradicionāls silīcija saules paneļi 180 mikronu biezumā tie absorbē tik daudz gaismas, cik perovskīts absorbēs tikai 1 mikrona biezumā. Perovskite, tāpat kā silīcijs, ir pusvadītājs, un aptuveni tikpat efektīvi gaismas ietekmē tas nodod elektrisko lādiņu, tomēr gaismas spektrs, kas perovskitam tiek pārveidots par elektrību, ir plašāks nekā silīcijam.

Kalcija titanāta kristāliskās vielas struktūra ir identiska perovskīta minerāla struktūrai, tāpēc to nosaukums ir vienāds. Un tieši šī viela šodien atrodas vienā no vadošajām vietām saules enerģijas optimizācijas ceļu reitingā.

Lieta ir tāda, ka uz silīcija bāzes izgatavoti saules paneļi šodien maksā vidēji 75 centus par 1 kW, un uz perovskītu balstīti saules paneļi samazinās to izmaksas līdz 10–15 centiem par 1 kW, tas ir, perovskīta saules tehnoloģijām 5–7. Gan bateriju ražošanā, gan to darbībā ir reizes retāk nekā silīcijs, un saražotās elektroenerģijas daudzums ir vienāds.

Un tas, neskatoties uz to, ka enerģētikas nozares analītiķi apgalvo, ka jau tagad, samaksājot 50 centus par 1 kW, saules enerģija kļūst konkurētspējīga ar fosilo kurināmo. Tas ir, pāreja uz perovskite globālā mērogā dažkārt samazinās elektrības ražošanas izmaksas, savukārt pašu paneļu ražošanas process būs ļoti vienkāršs.

Pētījumi, lai novērtētu un uzlabotu uz perovskītu balstītu saules bateriju efektivitāti, tiek veikti daudzās valstīs: Austrālijā, Martina Grīna, Šveicē, Maikla Gretzela, ASV, Henrija Senta, Fēliksa Dešlera, Leaminga dienā un Korejā, Sok Sang Il. Pētnieki pauž vienotu nostāju par daudzsološās tehnoloģijas zemām izmaksām un augsto efektivitāti.

Maikls Gretzels apgalvo, ka viņa 15% efektivitāti var viegli palielināt līdz 25%, un lētās saules baterijas no šobrīd pieejamajām nesasniedz 15%. Pirmoreiz, 2009. gadā, kad viņi runāja tikai par iespējām izmantot perovskitu saules enerģijai, tika iegūta efektivitāte 3,5%, un šūnas bija īslaicīgas, jo šķidrais elektrolīts izšķīdināja perovskītu un tiklīdz zinātniekiem bija laiks izmērīt, akumulators pārstāja darboties.

Tomēr pēc trim gadiem šķidrais elektrolīts tika aizstāts ar cietu, un šūnas kļuva stabilākas, un efektivitāte vispirms divkāršojās, bet pēc tam atkal divkāršojās. Vairāki elektriski vadoša substrāta slāņi, no kuriem viens bija pārklāts ar pigmentu, atrisināja problēmu un pavēra iespēju. Efektivitātes uzlabošanas pasākumi neapstājas līdz šai dienai, zinātnieki cita starpā izmanto standarta optimizācijas metodes, kas kalpoja, lai uzlabotu silīcija prekursorus.

Maikls Gretels ir pārliecināts, ka 25% efektivitāte izraisīs revolūciju saules enerģijā.Profesors no Austrālijas Martins Grīns, viens no pētniecības pionieriem, apgalvo, ka bez silīcija baterijas ir tik vienkārši izgatavojamas un efektīvas, lai darbotos, jo pilnīgi noteikti ir pārliecība, ka Perovskite saules paneļu nākotne ir spoža, jo provizoriskie aprēķini jau paredz milzīgu cenu samazinājumu - 7 reizes.

Pētnieku grupa no Korejas Sok Sang Il vadībā izstrādāja savu formulu, sajaucot svina amonija bromīdu ar svina formamidīna jodīdu, un zinātnieki panāca tādu perovskita struktūru, ka viņi uzstādīja rekordlielu efektivitāti - 17,9%. Maisījuma izmantošana ļaus izdrukāt saules baterijas, un to izmaksas tiks vēl vairāk samazinātas. Paliek problēma - materiāls izšķīst ūdenī, turklāt testos iegūto šūnu izmērs nepārsniedza 10 kvadrātmetrus, tāpēc pētījumi tiek turpināti.

Perovskīta saules bateriju ražošanas process pētniekiem šķiet diezgan vienkāršs. Šķidrumu vienkārši izsmidzina uz virsmas vai uzklāj tvaika formā, ko tehnoloģiski ir ļoti vienkārši realizēt. Metāla folijai vai stiklam tiek uzklāti vairāki materiālu slāņi, no kuriem viens ir perovskīts.

Šeit ir nepieciešami citi materiāli, lai atvieglotu elektronu kustību elementā. Ražošanas process ir tuvu ideālam. Oksfordas universitātes fiziķis Henrijs Sents, kurš strādā pie perovskītu šūnu izstrādes Amerikas Savienotajās Valstīs, ir pārliecināts, ka saules paneļa slāņi būs tikpat viegli uzklājami kā jebkurai virsmu krāsošanai.

Neskatoties uz topošajām izredzēm, zinātnieki tika sadalīti divās nometnēs. Bijušie iestājas par silikona akumulatoru uzlabošanu, kas jau ir kļuvuši par tradicionāliem, savukārt citi atbalsta pilnīgi jaunu, efektīvāku akumulatoru izveidi. Tātad, Martins Grīns uzskata, ka perovskite var izmantot kā papildinājumu silīcija akumulatoriem, apvienojot silīciju ar perovskite, un tādējādi samazināt saražotās elektroenerģijas vata izmaksas bez nozīmīgiem zaudējumiem silīcija nozarei. Maikls Grietila, gluži pretēji, ir pārliecināts, ka svarīga ir jauna attīstība, un jauno fotoelementu efektivitātes paaugstināšanas izmaksas daudzkārt atmaksāsies.

Daudzi uzņēmumi jau strādā pie produkta komerciālas ieviešanas, jo, neraugoties uz to, ka perovskita iespējas tikai tagad tiek realizētas, vadošie eksperti saules enerģijas jomā jau ir pievērsuši savu uzmanību nākotnei. Austrālijas un Turcijas uzņēmumi kopā aktīvi vērsās pret perovskīta saules paneļu tirdzniecību, un saskaņā ar prognozēm līdz 2018. gadam tie tiks prezentēti pasaules tirgū.

Neskatoties uz dažu uzņēmumu optimismu, pieredze rāda, ka parasti ir nepieciešami desmit gadi, līdz jauna tehnoloģija nonāk laboratorijā tirgū, un šajā laikā silīcija baterijas var labi apsteigt perovskite. Starp citu, Gretzel pārdod licenci jaunām tehnoloģijām uzņēmumiem, kas plāno sekot tradicionālajam silīcija veidam.

Konkurence arī saules enerģijas tirgū ir liela, un ar to saskaras katrs jauns spēlētājs. Silīcija paneļu izmaksas ir samazinātas, un pēc dažu analītiķu domām, tās var samazināties līdz 25 centiem par 1 kW, kas pilnībā liedz perovskita tehnoloģijas priekšrocības.

Neliela svina klātbūtne pigmentā, kas ir toksisks, joprojām ir problēma. Tuvojas eksperimentālie pētījumi, kas atklās, cik toksiska ir perovskita. Ir vērts pievērst uzmanību izlietoto akumulatoru utilizācijai, tāpat kā automašīnas startera akumulatoriem. Bet principā svina vietā var izmantot alvu vai kaut ko līdzīgu.

Tikmēr Ohaio pētnieki Leaming Dai vadībā uzsāka elektromobiļu elektrifikāciju, izmantojot perovskita saules paneļus. Viņi izstrādāja visizdevīgāko saules paneļu un elektrisko automašīnu akumulatoru kombināciju nekā jebkad agrāk.

Savienojot četras perovskita baterijas ar litija akumulatoru, zinātnieki līdz šim visefektīvākajā konfigurācijā sasniedza 7,8% efektivitāti, kas pārspēja iepriekšējos risinājumus saules bateriju apvienošanai ar superkondensatoriem un baterijām.

Daudzslāņu paneļi ir palielinājuši no saules saņemtās enerģijas blīvumu un stabilitāti. Pārbaudes ir parādījušas, ka trīs perovskita slāņi pēc vēlēšanās tiek pārveidoti vienā filmā. Ar vienas šūnas laukumu, kas nepārsniedz 10 kvadrātmetrus, pētnieki panāca monētas lieluma pārveidotāja efektivitāti 12,65%, bet, ņemot vērā enerģijas pārveidošanu un uzkrāšanu, cikliskajā režīmā tā efektivitāte bija 7,8%.

Šādas sistēmas, pēc izstrādātāju domām, nākotnē varēs ne tikai uzlādēt elektromobiļus, bet arī tiks uzstādītas elastīgas plēves veidā uz virsbūvēm. Šķiet, ka šī tehnoloģija ir ideāla elektriskajiem transportlīdzekļiem.

Ievērojama ir perovskita spēja remisijai. Kembridžas universitātes zinātnieks Fēlikss Dešlers atklāja, ka perovskitam ir unikāls īpašums. Kad gaisma nonāk materiālā, fotonu enerģija netiek tikai pārveidota par elektrību, bet daļa no lādiņa tiek pārveidota par fotoniem.

Ja panelis var šos fotonus izmantot atkārtoti, tad savāktā enerģija kļūs vēl lielāka. Dēlera grupa veica eksperimentu, kurā lāzera stars tika koncentrēts uz 0,5 mikronu biezu perovskita sekciju un citur paraugā tika izstarota gaisma. Piemēram, silīcijam nav iespējas pārnest enerģiju sevī un atkal to izstarot.

Tādējādi perovskite izredzes ir milzīgas, un, kas zina, tas var būt tieši ap to laiku, kad katra māja un katra automašīna tiks aprīkota ar perovskite akumulatoriem, jo ​​tas kļūs ekonomiski neizdevīgs un nav ieteicams piesārņot vidi ar fosilā kurināmā sadegšanas produktiem.