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%.