Что такое перовскитовые фотоэлемнты?

Последние годы мы с восхищением наблюдали за достижениями различных групп учёных по увеличению эффективности перовскитовых фотоэлементов. В результате разброс рекордов колеблется от 23,9% до 26%. При этом теоретические исследования обнадёживают и позволяют рассчитывать на КПД более 30% уже в ближайшем будущем. Для сравнения, самый дорогой и сложный кремниевый фотоэлемент гарантирует КПД 31,3%.

На фоне этих успехов и заявления компании Saule Technologies которая совместно с Skanska Group объявили и запуске серийного производства перовскитовых солнечных батарей уже в 2018 году мы решили разобраться в технологии и залоге её успеха.

Перовскит наиболее динамично развивающаяся альтернатива кремнию

Перовскитовые солнечные элементы — относительно новая, но быстро развивающаяся область солнечных технологий. Первые разработки в сфере солнечной энергетики из этого материала появились в период с 2006 по 2008 год. Тогда сложно было говорить о прорыве, поскольку КПД таких элементов едва превышал значение 2-3 %. На то, чтобы поднять их КПД до 22%, ушло примерно 7 лет.

Так что же это за чудо-материал, который вот так неожиданно оказался в центре внимания ученых, исследователей во всем мире, работающих в области солнечной фотовольтаики?

Из чего состоит перовскит?

Технически перовскит — это вид минерала, найденный  в Уральских горах в 1839 году,  и назван в честь Льва Перовского, который был основателем Русского географического общества. Настоящий перовскит (минерал) состоит из кальция, титана и кислорода в форме CaTiO3.

Минерал перовскит

Структура этого минерала настолько уникальна, что на ее основе из других химических элементов были созданы высокотемпературные сверхпроводящие материалы, ионные проводники, а также некоторые материалы, обладающие свойствами полупроводников. Поэтому когда мы говорим о перовскитовых солнечных элемента, следует понимать, что мы имеем ввиду солнечные элементы на основе перовскитовой структуры. Поскольку обычно используются различные элементы, объединенные в соответствующую структуру, а не минерал в чистом виде. Общая кристаллическая структура перовскита имеет форму ABX3.

Пример структуры солнечного элемента на основе перовскита

На сегодняшний день наиболее эффективные перовскитовые фотоэлементы изготовлены со следующей комбинацией материалов в соответствии со структурой ABX3:

• A = органический катион — метиламмоний (CH3NH3) +
• B = Большой неорганический катион — обычно свинец (II) (Pb2 +)
• X3 = анион галогена — обычно хлорид (Cl-) или иодид (I-)

Ученые постоянно эксперементируют над комбинацией элементов в структуре. Так, в начале 2018 года были представлены бессвинцовые элементы на основе титана, что позволяет уменьшить токсичность производства.

Почему будущее за перовскитом

Основным и самым важным преимущество перовскитовых солнечных элементов является их дешевизна в сравнении с кремниевыми элементами. Солнечные батареи на базе кремния стоят сегодня в среднем 70 центов за 1 Вт, а солнечные батареи на основе перовскита могут снизить их стоимость до 10-15 центов за 1 Вт.

Кремниевые солнечные батареи при толщине в 180 микрон поглощают столько же света, сколько перовскит поглотит при толщине всего в 1 микрон. К тому же спектр преобразуемого в электричество света у перовскита шире, чем у кремния.

Еще одним преимуществом перовскитовых фотоэлементов является возможность применения их в качестве «чернил» для печати на различных поверхностях, в том числе на прозрачных покрытиях. Это дает большую гибкость и возможности для применения в солнечной энергетике.

К примеру, компания Oxford Photovoltaics ведет разработки «Спрея» который  превращает любую поверхность в фотоэлемент — это, наверное, самый завораживающий образ, связанный с применением перовскитов в фотоэлектрике.

Что мешает перовскитам уже сейчас доминировать на рынке?

Основным сдерживающем фактором, является низкая надежность солнечных батарей с перовскитовой структурой. Они не долговечны и подвержены разрушения при воздействии влаги и ультрафиолетового излучения. Именно увеличение надежности и срока службы стоит первоочередной задачей перед инженерами при дальнейших разработках.

По мнению многих видных ученых, которые работают в области солнечной фотоэлектрики, новые бескремниевые солнечные батареи имеют большое будущее. А прогнозируемое снижение более чем в 5 раз стоимости одного киловатта солнечного электричества по сравнению с нынешними ценами открывает самые широкие перспективы для развития перовскитовых фотоэлементов.