Perovskite saulės kolektoriai

Medžiaga, mokslininkams žinoma daugiau nei šimtą metų, tik šiandien, XXI amžiaus pradžioje, ji pasirodė labai perspektyvi medžiaga pigių ir efektyvių saulės elementų gamybai. Perovskitas, arba kalcio titanatas, pirmą kartą mineralų pavidalu aptiktas vokiečių geologo Gustavo Rosa Uralo kalnuose dar 1839 m., Ir pavadintas grafo Levo Aleksejevičiaus Perovskio garbės šlovingo valstybės veikėjo ir naudingųjų iškasenų kolekcininko, 1812 m. Tėvynės karo herojaus, vardu, pasirodė kaip tinkamiausias varžovas. silicio alternatyvos vaidmuo gaminant saulės elementus.

Kalbant apie titanatą, kaip neseniai, kalcio titanatas buvo plačiai naudojamas tik kaip daugiasluoksnių keraminių kondensatorių dielektrikas. Ir dabar jie bando tai pritaikyti labai efektyvioms saulės baterijoms gaminti, nes paaiškėjo, kad ši medžiaga puikiai sugeria šviesą.

Įprasta, ilga tradicija silicio saulės baterijos esant 180 mikronų storiui, jie sugeria tiek šviesos, kiek perovskitas sugers tik 1 mikrono storiu. Perovskite, kaip ir silicis, yra puslaidininkis ir maždaug tokiu pačiu būdu perduoda elektros krūvį veikiant šviesai, tačiau perovskitei į elektrą paversto šviesos spektras yra platesnis nei silicio.

Kalcio titanato kristalinės medžiagos struktūra yra identiška perovskito mineralo struktūrai, todėl jų pavadinimas sutampa. Ir būtent ši medžiaga šiandien yra vienoje iš pirmaujančių vietų saulės energijos optimizavimo būdų reitinge.

Reikalas tas, kad silicio pagrindu pagamintos saulės baterijos šiandien kainuoja vidutiniškai 75 centus už 1 kW, o perovskito pagrindu pagamintos saulės baterijos sumažins jų kainą iki 10–15 centų už 1 kW, tai yra, perovskito saulės technologijos per 5–7. kartų pigesnis nei silicis tiek gaminant baterijas, tiek jas veikiant, o pagamintos elektros kiekis yra vienodas.

Ir tai nepaisant to, kad energetikos pramonės analitikai tvirtina, kad jau dabar kainuojanti 50 centų už 1 kW, saulės energija tampa konkurencinga iškastiniam kurui. T. y., Perėjimas prie perovskito pasauliniu mastu kartais sumažins elektros energijos gamybos sąnaudas, o pačių plokščių gamybos procesas bus labai paprastas.

Tyrimai, skirti įvertinti ir pagerinti perovskito pagrindu pagamintų saulės elementų efektyvumą, yra vykdomi daugelyje šalių: Australijoje, Martine Green, Šveicarijoje, Michael Gretzel, JAV, Henry Saint, Felix Deshler, Leaming Day ir Korėjoje, Sok Sang Il. Tyrėjai vieningai skelbia, kad perspektyvios technologijos yra pigios ir labai veiksmingos.

Michaelas Gretzelis teigia, kad jo pasiektą efektyvumą 15% galima lengvai padidinti iki 25%, o nebrangios saulės baterijos iš šiuo metu turimų nesiekia 15%. Pirmą kartą, 2009 m., Kai jie tik kalbėjo apie perovskito panaudojimo saulės energijai galimybes, buvo gautas 3,5% efektyvumas, o ląstelės buvo trumpalaikės, nes skystas elektrolitas ištirpino perovskitetą, o kai tik mokslininkai turėjo laiko išmatuoti, akumuliatorius nustojo veikti.

Tačiau po trejų metų skystas elektrolitas buvo pakeistas kietu, o ląstelės tapo stabilesnės, o efektyvumas pirmiausia padvigubėjo, o paskui vėl padvigubėjo. Keletas elektrai laidžių substrato sluoksnių, iš kurių vienas buvo padengtas pigmentu, išsprendė problemą ir atvėrė perspektyvą. Veiksmingumo gerinimo žingsniai nesustoja iki šiol, mokslininkai, be kita ko, naudoja standartinius optimizavimo metodus, kurie padėjo pagerinti silicio pirmtakus.

Michaelas Gretzelis yra tikras, kad 25% efektyvumas sukels saulės energijos revoliuciją.Profesorius iš Australijos Martinas Greenas, vienas iš tyrimų pradininkų, tvirtina, kad be silicio baterijas yra taip paprasta gaminti ir efektyviai naudoti, kad neabejotinai yra įsitikinimų, jog saulės kolektorių „Perovskite“ ateitis yra šviesi, nes išankstiniai vertinimai jau prognozuoja didžiulį kainos sumažėjimą - 7 kartų.

Tyrėjų grupė iš Korėjos, vadovaujama Sok Sang Il, sukūrė savo formulę, sumaišydama švino amonio bromidą su švino formamidino jodidu, mokslininkai pasiekė tokią perovskito struktūrą, kad nustatė rekordinį 17,9% efektyvumą. Naudojant mišinį, bus galima spausdinti saulės elementus, o jų kaina dar labiau sumažės. Problema išlieka - medžiaga ištirpsta vandenyje, be to, bandymų metu ląstelių dydis neviršijo 10 kvadratinių mm, todėl tyrimai tęsiami.

Perovskito saulės elementų gamybos procesas tyrinėtojams atrodo gana paprastas. Skystis tiesiog purškiamas ant paviršiaus arba užpilamas garo pavidalu, o tai labai paprasta realizuoti technologiškai. Ant metalinės folijos ar stiklo uždedami keli medžiagų sluoksniai, iš kurių vienas yra perovskitas.

Norint palengvinti elektronų judėjimą elemente, čia reikalingos kitos medžiagos. Gamybos procesas yra beveik idealus. Oksfordo universiteto fizikas Henris Saint, dirbantis kuriant perovskito ląsteles JAV, įsitikinęs, kad saulės kolektorių sluoksniai bus dedami taip pat lengvai, kaip ir įprasti dažai ant paviršiaus.

Nepaisant kylančių perspektyvų, mokslininkai buvo suskirstyti į dvi stovyklas. Pirmieji pasisako už jau tradicinėmis tapusių silicio baterijų tobulinimą, kiti pasisako už visiškai naujų, efektyvesnių akumuliatorių kūrimą. Taigi Martinas Greenas mano, kad perovskite galima naudoti kaip papildymą silicio akumuliatoriams, derinant silicį su perovskite, ir tokiu būdu sumažinti pagamintos elektros energijos vato kainą be didelių nuostolių silicio pramonei. Michaelas Gretzelis, priešingai, įsitikinęs, kad svarbūs yra nauji pokyčiai, o naujų fotoelementų efektyvumo didinimo išlaidos atsiperka daug kartų.

Daugelis kompanijų jau dirba prie komercinio produkto įdiegimo, nes, nepaisant to, kad perovskito galimybės dar tik pradedamos pripažinti, žymūs saulės energijos srities ekspertai jau atkreipė dėmesį į ateitį. Australijos ir Turkijos įmonės kartu aktyviai siekė perovskito saulės plokščių komercializavimo, o pagal prognozes iki 2018 m. Jos bus pristatytos pasaulinėje rinkoje.

Nepaisant kai kurių kompanijų optimizmo, patirtis rodo, kad naujos technologijos perėjimas iš laboratorijos į rinką paprastai užtrunka dešimt metų, ir per tą laiką silicio baterijos gali gerai aplenkti perovskitetą. „Gretzel“, beje, parduoda naujos technologijos licenciją įmonėms, ketinančioms laikytis tradicinio silicio būdo.

Konkurencija saulės energijos rinkoje taip pat yra didelė, su ja susiduria kiekvienas naujas žaidėjas. Silicio plokščių kaina sumažėja, o kai kurių analitikų teigimu, ji gali nukristi iki 25 centų už 1 kW, o tai visiškai atima perovskito technologijos pranašumus.

Problema išlieka nedidelis švino kiekis pigmente, kuris yra toksiškas. Ateina eksperimentiniai tyrimai, kurie atskleis, koks yra toksiškas perovskitas. Verta atkreipti dėmesį į naudotų akumuliatorių utilizavimą, kaip tai daroma pradedančiųjų automobilių akumuliatoriams. Tačiau iš principo vietoj švino gali būti naudojama alava ar kažkas panašaus.

Tuo tarpu Ohajo tyrėjai, vadovaujami „Leaming Dai“, ėmėsi elektrifikuoti elektrinius automobilius naudodami perovskito saulės baterijas. Jie sukūrė naudingiausią saulės baterijų ir elektrinių automobilių akumuliatorių derinį nei bet kada anksčiau.

Prijungę keturias perovskito baterijas prie ličio akumuliatorių, mokslininkai pasiekė 7,8% efektyvumą efektyviausioje iki šiol konfigūracijoje, kuri pranoko ankstesnius sprendimus sujungti saulės elementus su superkondensatoriais ir baterijomis.

Daugiasluoksnės plokštės padidino saulės gaunamos energijos tankį ir stabilumą. Testai parodė, kad trys perovskito sluoksniai, jei pageidaujama, paverčiami į vieną plėvelę. Vienos ląstelės plotas ne didesnis kaip 10 kvadratinių mm, mokslininkai pasiekė 12,65% monetos dydžio keitiklio efektyvumą, tačiau atsižvelgiant į energijos konvertavimą ir kaupimą, cikliniu režimu efektyvumas buvo 7,8%.

Tokios sistemos, anot kūrėjų, ateityje galės ne tik įkrauti elektromobilius, bet ir bus montuojamos lanksčios plėvelės pavidalu ant kėbulų. Ši technologija atrodo ideali elektrinėms transporto priemonėms.

Nepaprastas yra perovskito sugebėjimas remisijai. Kembridžo universiteto mokslininkas Feliksas Deschleris atrado, kad perovskitas turi unikalią savybę. Kai šviesa patenka į medžiagą, fotono energija ne tik paverčiama elektra, o dalis krūvio vėl paverčiama fotonais.

Jei skydas gali pakartotinai panaudoti šiuos fotonus, tada sukaupta energija taps dar didesnė. Deshlerio grupė atliko eksperimentą, kurio metu lazerio spindulys buvo sukoncentruotas ant 0,5 mikrono storio perovskito sekcijos ir kitoje mėginio dalyje buvo skleidžiama šviesa. Pavyzdžiui, silicis neturi galimybių perduoti energijos savyje ir vėl ją išmesti.

Taigi, perovskite perspektyvos yra milžiniškos, ir kas žino, gali būti, kad maždaug tuo metu, kai kiekvienas namas ir kiekvienas automobilis bus aprūpintas „perovskite“ baterijomis, nes tai taps ekonomiškai nuostolinga ir nepatartina teršti aplinkos iškastinio kuro degimo produktais.