Слънчеви панели Perovskite

Вещество, известно на учените от повече от сто години, само днес, в началото на XXI век, се оказва много обещаващ материал за производството на евтини и ефективни слънчеви клетки. Перовскит, или калциев титанат, открит за пръв път под формата на минерал от немския геолог Густав Роза в Уралските планини през 1839 г. и кръстен на граф Лев Алексеевич Перовски, славен държавник и колекционер на минерали, героят от Отечествената война от 1812 г., се оказва най-подходящият претендент за ролята на алтернативата на силиция при производството на слънчеви клетки.

Като вещество доскоро калциевият титанат се използва широко само като диелектрик за многослойни керамични кондензатори. И сега те се опитват да го прилагат за изграждане на високоефективни слънчеви панели, тъй като се оказа, че този материал перфектно абсорбира светлината.

Обикновени, отдавна традиционни силиконови слънчеви панели при дебелина 180 микрона, те поглъщат толкова светлина, колкото перовскитът ще абсорбира при дебелина само 1 микрон. Перовскитът, също като силиция, е полупроводник и предава електрически заряд по същия начин под въздействието на светлината, но спектърът на светлината, превърната в електричество в перовскит, е по-широк от този на силиция.

Структурата на кристалното вещество на калциев титанат е идентична със структурата на минерала перовскит, следователно името им е същото. И именно това вещество е днес на едно от водещите места в класацията на пътищата за оптимизация на слънчевата енергия.

Работата е там, че слънчевите панели на базата на силиций днес струват средно 75 цента за 1 кВт, а соларните панели на базата на перовскитите ще намалят разходите си до 10-15 цента за 1 кВт, тоест перовскитската слънчева технология за 5-7 пъти по-евтини от силиция както при производството на батерии, така и при тяхната работа, а количеството произведена електроенергия е едно и също.

И това въпреки факта, че анализаторите в енергийната индустрия твърдят, че вече при цена от 50 цента за 1 kW, слънчевата енергия става конкурентоспособна на изкопаемите горива. Тоест, преходът към perovskite в глобален мащаб ще намали с няколко пъти разходите за производство на електроенергия, докато производственият процес на самите панели ще бъде много прост.

Изследвания за оценка и подобряване на ефективността на слънчевите клетки на базата на перовскити се провеждат в много страни: в Австралия, Мартин Грийн, Швейцария, Майкъл Греццел, в САЩ, Хенри Сент, Феликс Дешлер, Денят на Лийминг и Корея, Сок Санг Ил. Изследователите казват с един глас за ниската цена и високата ефективност на обещаващите технологии.

Майкъл Гретцел твърди, че неговата ефективност от 15% може лесно да се увеличи до 25%, а евтините слънчеви клетки от наличните в момента не достигат 15%. За първи път през 2009 г., когато те просто говориха за възможностите за използване на перовскит за слънчева енергия, беше получена ефективност от 3,5%, а клетките бяха краткотрайни, тъй като течният електролит разтвори перовскит и веднага след като учените имаха време да измерват, батерията спря да работи.

Въпреки това, след три години, течният електролит е заменен с твърд и клетките стават по-стабилни, а ефективността първо се удвоява, а след това отново се удвоява. Няколко електропроводими субстратни слоя, единият от които беше пигментиран, решиха проблема и отвориха перспективата. Стъпките за подобряване на ефективността не спират и до днес, учените използват, наред с други неща, стандартни методи за оптимизация, служещи за подобряване на прекурсорите на силиция.

Майкъл Гретцел е сигурен, че 25% ефективност ще доведе до революция в слънчевата енергия.Професор от Австралия Мартин Грийн, един от пионерите в изследванията, твърди, че батериите без силиций са толкова прости в производството и ефективни за работа, че определено има сигурност, че бъдещето на слънчевите панели на Perovskite е светло, защото предварителните оценки вече прогнозират огромно намаление на цената - на 7 време.

Група изследователи от Корея, водени от Sok Sang Il, разработиха своя собствена формула чрез смесване на оловен амониев бромид с оловен формамидин йодид и учените постигнаха такава структура на перовскит, че те поставиха рекордна ефективност от 17,9%. Използването на сместа ще позволи отпечатването на слънчеви клетки и цената им ще бъде допълнително намалена. Проблемът остава - материалът се разтваря във вода, в допълнение, размерът на клетките в тестовете не надвишава 10 квадратни мм, така че изследванията продължават.

Процесът на производство на слънчеви клетки от перовскит изглежда на изследователите доста прост. Течността просто се напръсква върху повърхността или се нанася под формата на пара, което е много лесно да се реализира технологично. Няколко слоя материали се прилагат върху метално фолио или стъкло, единият от които е перовскит.

Тук са необходими други материали, за да се улесни движението на електрони в елемента. Процесът на производство е близо до идеалния. Физикът от университета в Оксфорд Хенри Сент, който работи върху развитието на клетките на перовскит в САЩ, е уверен, че слоевете на слънчевия панел ще бъдат нанесени толкова лесно, колкото при всяка боя на повърхността.

Въпреки очертаващите се перспективи, учените се разделиха на два лагера. Първите се застъпват за подобряването на силиконовите батерии, които вече са станали традиционни, докато другите се застъпват за създаването на напълно нови, по-ефективни. Така че, Мартин Грийн смята, че перовскитът може да се използва като допълнение към силиконовите батерии, комбинирайки силиций с перовскит и по този начин да намали цената на ват електроенергия, произведена без значителни загуби за силициевата индустрия. Майкъл Гретцел, напротив, е убеден, че новите разработки са важни и разходите за повишаване на ефективността на новите фотоклетки ще се изплатят многократно.

Много компании вече работят върху търговската реализация на продукта, тъй като въпреки факта, че възможностите на перовскитите тепърва започват да се реализират, водещи експерти в областта на слънчевата енергия вече са насочили вниманието си към бъдещето. Австралийските и турските компании заедно активно се приближиха до комерсиализацията на перовскит слънчеви панели и според прогнозите до 2018 г. те ще бъдат представени на световния пазар.

Въпреки оптимизма на някои компании, опитът показва, че обикновено са необходими десет години, за да може нова технология да премине от лабораторията към пазара и през това време силиконовите батерии могат да преодолеят перовскитите. Между другото, Gretzel продава лиценз за нова технология на компании, които възнамеряват да следват традиционния начин на силиция.

Конкуренцията на пазара на слънчева енергия също е висока и всеки нов играч е изправен пред нея. Цената на силиконовите панели е намалена и според някои анализатори може да спадне до 25 цента за 1 кВт, което напълно лишава предимствата на технологията на перовскит.

Наличието на малко количество олово в пигмента, който е токсичен, остава проблем. Излизат експериментални изследвания, които ще разкрият колко токсичен е перовскитът. Струва си да обърнете внимание на изхвърлянето на използвани батерии, какъвто е случаят с акумулаторите за стартерни автомобили. Но по принцип може да се използва калай или нещо подобно вместо олово.

Междувременно изследователи от Охайо, водени от Leaming Dai, се заеха с електрифицирането на електрически автомобили с помощта на соларни панели perovskite. Те разработиха най-благоприятната комбинация от слънчеви панели с батерии за електрически автомобили от всякога.

Свързвайки четири батерии перовскит към литиева батерия, учените постигнаха ефективност от 7,8% в най-ефективната конфигурация до момента, което надмина предишните решения за комбиниране на слънчеви клетки със суперкондензатори и батерии.

Многослойните панели увеличават плътността и стабилността на енергията, получена от слънцето. Тестовете показват, че три слоя перовскит се трансформират при желание в един филм. С едноклетъчна площ не по-голяма от 10 квадратни мм, изследователите постигнаха ефективност от 12,65% от конвертор с размер на монета, но като взеха предвид преобразуването и съхранението на енергия, ефективността беше 7,8% в цикличен режим.

Подобни системи, според разработчиците, в бъдеще ще могат не само да зареждат електрически автомобили, но и да бъдат инсталирани под формата на гъвкав филм върху каросерии. Технологията изглежда идеална за електрически превозни средства.

Забележителна е способността на перовскит към реемисия. Учен от Кембриджския университет Феликс Дешлер откри, че перовскитът има уникално свойство. Когато светлината навлиза в материала, енергията на фотона не просто се преобразува в електричество, част от заряда се преобразува обратно във фотони.

Ако панелът може да използва повторно тези фотони, тогава събраната енергия ще стане още по-голяма. Групата на Дешлер проведе експеримент, при който лазерният лъч беше концентриран върху пероскит с дебелина 0,5 микрона, а светлината се излъчваше другаде в пробата. Силицият например няма способността да прехвърля енергия в себе си и отново да я излъчва.

По този начин перспективите за перовскит са огромни и кой знае, може да е точно около времето, когато всяка къща и всеки автомобил ще бъдат оборудвани с батерии перовскит, тъй като ще стане икономически неизгодно и не е препоръчително да замърсява околната среда с продукти за изгаряне на изкопаеми горива.