Що таке перовскітові фотоелементи?

Останні роки ми із захопленням спостерігали за досягненнями різних груп вчених щодо підвищення ефективності перовскітових фотоелементів. В результаті розкид рекордів коливається від 23,9 до 26%. При цьому теоретичні дослідження обнадіюють і дозволяють розраховувати на ККД понад 30% вже найближчим часом. Для порівняння, найдорожчий і найскладніший кремнієвий фотоелемент гарантує ККД 31,3%.

На тлі цих успіхів і заяви компанії Saule Technologies, яка спільно зі Skanska Group оголосила і запуск серійного виробництва перовскітових сонячних батарей вже в 2018 році ми вирішили розібратися в технології та заставі її успіху.

Перовскіт альтернатива кремнію, що найбільш динамічно розвивається

Перовскітові сонячні елементи – відносно нова область сонячних технологій, що швидко розвивається. Перші розробки у сфері сонячної енергетики із цього матеріалу з’явилися у період з 2006 по 2008 рік. Тоді важко було говорити про прорив, оскільки ККД таких елементів ледь перевищував значення 2-3%. На те, щоби підняти їх ККД до 22%, пішло приблизно 7 років.

То що це за диво-матеріал, який ось так несподівано опинився в центрі уваги вчених, дослідників у всьому світі, які працюють у галузі сонячної фотовольтаїки?

Из чего состоит перовскит?

Технічно перовскіт – це вид мінералу, знайдений в Уральських горах в 1839 році, і названий на честь Льва Перовського. Справжній перовскіт (мінерал) складається з кальцію, титану та кисню у формі CaTiO3.

Мінерал перовскіт

Структура цього мінералу настільки унікальна, що на її основі з інших хімічних елементів були створені високотемпературні надпровідні матеріали, іонні провідники, а також деякі матеріали, що мають властивості напівпровідників. Тому коли ми говоримо про перовскітові сонячні елементи, слід розуміти, що ми маємо на увазі сонячні елементи на основі перовскітової структури. Оскільки зазвичай використовуються різні елементи, об’єднані у відповідну структуру, а не мінерал у чистому вигляді. Загальна кристалічна структура перовскіту має форму ABX3.

Приклад структури сонячного елемента на основі перовскіту

На сьогоднішній день найефективніші перовскітові фотоелементи виготовлені з наступною комбінацією матеріалів відповідно до структури ABX3:

• A = органічний катіон – метиламоній (CH3NH3) +
• B = великий неорганічний катіон – зазвичай свинець (II) (Pb2+)
• X3 = аніон галогену – зазвичай хлорид (Cl-) або йодид (I-)

Вчені постійно експериментують над комбінацією елементів у структурі. Так, на початку 2018 року було представлено безсвинцеві елементи на основі титану, що дозволяє зменшити токсичність виробництва.

Чому майбутнє за перовскитом

Основною і найважливішою перевагою перовскітових сонячних елементів є їхня дешевизна в порівнянні з кремнієвими елементами. Сонячні батареї на базі кремнію коштують сьогодні в середньому 30 центів за 1 Вт, а сонячні батареї на основі перовскіту можуть знизити їхню вартість до 10-15 центів за 1 Вт.

Кремнієві сонячні батареї при товщині 180 мікрон поглинають стільки ж світла, скільки перовскіт поглине при товщині всього 1 мікрон. До того ж спектр світла, що перетворюється в електрику, у перовскіту ширше, ніж у кремнію.

Ще однією перевагою перовскітових фотоелементів є можливість застосування їх як «чорнила» для друку на різних поверхнях, у тому числі на прозорих покриттях. Це дає більшу гнучкість та можливості для застосування в сонячній енергетиці.

Приміром, компанія Oxford Photovoltaics веде розробки «Спрея» який  перетворює будь-яку поверхню на фотоелемент — це, напевно, найчарівніший образ, пов’язаний із застосуванням перовскітів у фотоелектриці.

Що заважає перовскітам вже зараз домінувати на ринку?

Основним стримуючим фактором є низька надійність сонячних батарей з перовскітовою структурою. Вони не довговічні і схильні до руйнування при впливі вологи та ультрафіолетового випромінювання. Саме збільшення надійності та терміну служби стоїть першочерговим завданням перед інженерами за подальших розробок.

На думку багатьох видатних вчених, які працюють у галузі сонячної фотоелектрики, нові безкремнієві сонячні батареї мають велике майбутнє. А прогнозоване зниження більш ніж у 5 разів вартості одного кіловата сонячної електрики в порівнянні з нинішніми цінами відкриває найширші перспективи для розвитку перовскітових фотоелементів.