Перовскитовые солнечные элементы своими руками: Перовскитные солнечные элементы: особенности технологии и эффективность

Содержание

Перовскитные солнечные элементы: особенности технологии и эффективность

Перовскитные солнечные элементы являются уникальным научным достижением. Благодаря ему в обозримом будущем появится возможность замены уже привычных панелей, основу которых составляет кремний. Минерал перовскит обеспечивает получение того же количества энергии, что и при использовании кремниевых батарей. Однако финансовые затраты, при производстве будут значительно меньше.

Сейчас учеными в разных странах ведется последовательная работа в плане совершенствования новой технологии. Существует международная группа специалистов, которые уже смогли установить серьезное достижение показателя КПД. Речь идет об элементах, имеющих обратный переход. Показатель напряжения одной ячейки был увеличен до одного вольта — причем, без повреждения хрупкого материала. И КПД солнечной батареи получился высоким — 20,9%. Это в разы повышает производительность новых элементов. Но обо всем по порядку.

Из истории перовскита: происхождение и перспективная альтернатива

Вещество перовскит было открыто более ста лет назад. Широкое же распространение стало получать только сейчас. На заре нынешнего столетия о нем уже говорили как о перспективном материале, который позволял бы изготавливать солнечные батареи более дешевыми и доступными для потребителей.

Другое название вещества — титанат кальция. Впервые его обнаружил геолог из Германии Густав Розе в 1839 году, в уральских месторождениях. Название минерал получил в честь графа Льва Алексеевича Перовского. Граф Перовский, кроме государственной деятельности на благо России, славился еще и тем, что коллекционировал редкие камни. Поэтому его имя и стало основой для названия нового вещества.

Раньше титанат кальция применялся в качестве диэлектрика, когда изготавливались керамические конденсаторы, имеющие большое количество слоев. Теперь его пытаются использовать с целью создания солнечных панелей, обладающих высокой эффективностью, так как он прекрасно поглощает световые частицы.

Известно, что уже привычные батареи из кремния имеют толщину в 180 мкрн. Перовскитная панель при показателе толщины всего в 1 мкрн вберет в себя столько же света, сколько кремниевая при 180-ти.

И кремний, и титанат кальция — оба полупроводники. Следовательно, очень хорошо осуществляют передачу электрического заряда под воздействием светового потока. Однако, что касается светового спектра, который преобразуется в электрическую энергию, у титаната кальция он значительно выше.

Поскольку сам перовскит стоит недорого, это позволит изготавливать элементы по более низкой цене, нежели кремний. А производимая электрическая энергия останется такой же.


Ученые утверждают, что если в будущем технология обработки титаната кальция станет более совершенной, это позволит производить перовскитные солнечные элементы уже для широкого круга потребителей. Сам производственный процесс со временем станет несложным, и цена на производство электрической энергии станет меньше во много раз.

Недостатки материала и выход из положения

Титанат кальция состоит из трех химических элементов:

  • кальция;
  • титана;
  • водорода.

В кристаллической решетке вещества они располагаются в определенном порядке и получили название перовскитных структур (ячеек). Они собирают свет и поглощают его внутри. Как уже было сказано, обходятся они недорого, легко «вписываются» в конструкцию солнечных панелей и не требуют установки дорогостоящего оборудования. Но когда эти структуры подвергаются сильному нагреву от Солнца, они становятся нестабильными. Это представляет собой серьезный недостаток, который нуждается в корректировке.

Путем долгих исследований и опытного производства международной группой ученых материал был реструктурирован. Его довели до определенной степени совершенства. Если говорить простым языком, из него удалось создать реальное инновационное вещество. Структура материала обрела нужную стабильность, не меняющуюся при нагревании.

Все это связано с технологией производства, которая позволила создать тандемные ячейки солнечных панелей, имеющих в основе не один, а два работающих вещества. Поскольку два материала позволяют панели собирать больше солнечного света, тандемные конструкции являются предпочтительнее стандартных.

В стандартных, как известно, ранее применялся только кремний. Теперь же, благодаря более совершенной структуре титаната кальция, в батареях могут успешно быть применены и он, и кремний — без риска получения короткого замыкания, которое возникало до того, как ученым удалось усовершенствовать перовскит.

Преимущества инновационных солнечных панелей

Итак, усовершенствованный титанат кальция позволяет создавать перовскитные солнечные элементы, которые обладают следующими преимуществами:

  • Неорганичность. Благодаря ей система получает достаточный уровень термостабильности. Панели меньше подвержены деградации вследствие теплового воздействия.
  • Более низкий уровень светопоглощения
    , который обеспечивает максимальную отдачу энергии вовне. В целях улучшения показателя производительности специалисты добавили в ячейки обычный марганец, и этот эксперимент также увенчался успехом.
  • Каждая панель снабжена электродами, переносящими ток с ячеистой структуры к внешним проводникам. Раньше электроды изготавливались из золота. Это, конечно, очень дорого, поэтому золото заменили на более дешевый, но не менее эффективный углерод, который можно просто нанести на элементы путем обыкновенной печати.

Дискуссия по поводу долговечности и дальнейшие перспективы

К сожалению, пока перовскитные солнечные батареи не могут быть долговечными. Срок службы их составляет не более года, максимум — двух лет, в то время как кремний может работать и до двадцати. Однако работа специалистов над усовершенствованием технологии производства этого ноу-хау продолжается.

Несмотря на то, что это только начало, уже идут серьезные разговоры о крупномасштабном производстве панелей данного типа. Кстати, впервые титанат кальция был применен при изготовлении ячеек элементов совсем недавно, в 2009 году. С того момента прошло еще совсем немного времени, а поскольку первые успешные результаты уже есть, дальнейшая перспектива вполне может обещать человечеству очень многое.

Перовскитные солнечные панели теперь можно печатать на струйном принтере

Степан Икаев

Команда ученых из Технологического института Карлсруэ создала эффективный метод изготовления перовскитных солнечных панелей. Новая разработка, основанная на струйной печати, обеспечит быстрое и масштабируемое производство панелей следующего поколения, сообщает TechXplore.

83

Перовскит был впервые применен при разработке фотоэлементов в 2009 году и с того момента считается одним из самых привлекательных материалов для создания производительных источников возобновляемой энергии. Перовскитные панели конвертируют уже до 28% энергии в электричество — на 10-13% эффективнее, чем кремниевые аналоги. Долгое время их массовое производство было невозможно из-за хрупкости перовскита, но теперь все может измениться.

Ученые создали новый вид солнечных элементов со струйным абсорбирующим слоем перовскита. Ключевая особенность исследования — разработка оптимизированного процесса изготовления чернил с помощью вакуумной сушки. Решение обеспечило самую высокую эффективность преобразования энергии на солнечных панелях, изготовленных с помощью струйной печати. Эффективность элементов превысила 20% и этого результата уже достаточно, чтобы «перекрыть» возможности кремния, но ученые считают, что смогут достичь большей производительности в будущем.

Процесс также позволил получить наиболее предпочтительный вид кристаллизации перовскитного материала с крупными столбчатыми зернами микрометрового размера.

«Разработка качественного процесса струйной печати для изготовления солнечных батарей на основе перовскита может обеспечить массовое производство с низкой себестоимостью и откроет доступ к модификациям печатных элементов с помощью цифровых изображений», — сообщил участник исследования Хельге Эггерс.

Проще говоря, новые солнечные панели могут быть изготовлены в любой форме и изобразить любой рисунок для эстетической интеграции на фасадах зданий, в общественных пространствах и парках.

Участники исследования считают, что технология может стать успешной на коммерческом рынке, но не в ближайшее время, поскольку перовскитные панели, изготовленные с помощью струйной печати, еще не достигли предела эффективности.

Facebook83ВконтактеWhatsAppTelegram


Новый модификатор повысил эффективность перовскитных солнечных батарей

Научный коллектив НИТУ «МИСиС» представил улучшенную версию солнечных батарей на основе перовскитов. Ученые модифицировали фотоэлементы на основе перовскитов, максенами (MXenes) — тонкими двумерными карбидами титана с высокой электропроводностью. Полученный фотомодуль показал превосходные характеристики с эффективностью преобразования солнечного света, превышающей 19% (аналоги дают 17%) и улучшенной стабильной выходной мощностью. Результаты работы опубликованы в международном научном журнале NANO ENERGY.

Перовскитные пленочные фотоэлементы 

— активно развивающаяся во всем мире технология альтернативной энергетики. Солнечные батареи из перовскитов можно печатать на специальных струйных или матричных принтерах без применения вакуумных процессов. Это снижает стоимость устройства по сравнению с традиционными кремниевыми.

Другими их преимуществами являются гибкость: фотоэлемент можно изготавливать на подложках из ПЭТ — лавсана — обычного материала для пластиковых бутылок и компактность, за счет которых пленочные фото-модули можно монтировать на стены зданий и кривые поверхности автомобильных стекол, получая независимый обогрев, либо электропитание.

Перовскитный модуль имеет структуру сэндвича, между слоями которого происходит процесс сбора электронов, в результате которого энергия солнечного света преобразуется в электрическую. При этом слои очень тонкие — от 10 до 50 нанометров, а сам «сэндвич» тоньше человеческого волоса. Чем менее энергозатратно происходит процесс электронного перемещения внутри «сэндвича», тем эффективнее работает весь модуль.

Научная группа физиков НИТУ «МИСиС» и Университета Тор Вергата (Милан, Италия) доказали экспериментально, что небольшая добавка максенов на основе карбида титана в светопоглощающие слои перовскита улучшает процесс электронного перемещения и оптимизирует работу батареи.

Название MXenes отражает процесс создания материалов. Они производятся путём травления и отшелушивания атомарно тонких слоев предварительно нанесённого алюминия на слоистые карбиды (MAX phases). MAX phases — слоистые шестиугольные карбиды и нитриды.

«В работе мы демонстрируем полезную роль легирования MXenes как для фотоактивного слоя, так для слоя переноса электронов в транспортных слоях фуллеренов перовскитных солнечных элементов на основе оксида никеля, — рассказала соавтор исследования, сотрудник лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ „МИСиС“, аспирант Анастасия Якушева.

— Добавление максенов позволяет, с одной стороны, легко настраивать выравнивание уровней энергии на границе перовскит / фуллерены, а с другой стороны, контролировать концентрацию дефектов в структуре ячейки, что, в свою очередь, улучшает сбор фототока».

Созданные на основе нового состава фотоэлементы показали повышенные характеристики с эффективностью преобразования мощности, превышающей 19%. Это на 2% больше мощности аналогов.

«Использование двумерных материалов, таких как MXenes, для настройки свойств солнечных элементов, оказалось универсальным и может быть применено к различной архитектуре перовскитных солнечных элементов. Дальнейшее развитие технологии подразумевает ее перенос в крупномасштабные прототипы перовскита, такие как модули, устройства BIPV, а также в накопители энергии для внутреннего освещения», — подчеркнул руководитель проекта, профессор НИТУ «МИСиС» и Римского университета Тор Вергата Альдо ди Карло.

Предлагаемый разработчиками подход может быть легко масштабирован до формата модулей и панелей большой площади, поскольку легирование MXenes (максенами) не меняет технологическую цепочку производства и осуществляется только на первичном этапе растворов для нанесения и не влияет на окончательную архитектуру модуля.

В МГУ разработан метод повышения КПД перовскитных солнечных батарей большого размера

Специалисты лаборатории новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ детально исследовали взаимодействие гибридных перовскитов с фокусированным лазерным излучением. Результатом стала разработка усовершенствованного метода сборки перовскитных солнечных батарей при помощи лазерной резки.

Гибридные галогенидные перовскиты образуют новый класс полупроводниковых материалов. Используя их как светопоглощающий материал, в перовскитных солнечных элементах, удается поучить КПД более 25%, что лучше рекордных значений для наиболее распространенных сейчас солнечных элементов из поликристаллического кремния.

Чтобы сформировать солнечную батарею большой площади, большой лист обычно разрезают на полоски, которые затем соединяются последовательно. Это позволяет повысить напряжение и КПД получаемого модуля. Однако повышать КПД панели мешает одновременное увеличение площади «мёртвых зон» — участков в соединениях, не участвующих в генерации. Для уменьшения размеров мёртвых зон необходимо совершенствовать технологию лазерной резки материалов, используемых в солнечном элементе.

Сложность заключается в том, что перовскитный солнечный элемент состоит из нескольких слоёв, и разрезать необходимо только некоторые из них — так, чтобы не были повреждены остальные, в частности, вследствие каскада термохимических и фотохимических реакций с выделением газообразных продуктов распада, затрудняющих управление параметрами резки.

Исследователи изучили указанные реакции методом спектроскопии комбинационного рассеяния и определили основные продукты распада перовскита под действием мощного лазерного излучения. Кроме того, они обнаружили, что летучие продукты распада конденсируются на поверхности плёнок перовскита, увеличивая размеры мёртвых зон.

Предложенный метод минимизации нежелательных процессов заключается в подаче в область резки направленного потока инертного газа.

Предложен способ создания перовскитных солнечных батарей неограниченной площади

Реакционные расплавы полииодидов (РРП) — это новый класс веществ, открытый в 2016 году. Он уникален тем, что сочетает в себе жидкое агрегатное состояние при комнатной температуре и высокую способность к реакции по отношению к ряду веществ. В частности, реагируя с металлическим свинцом, РРП напрямую образует гибридные перовскиты без побочных продуктов реакции и необходимости использования растворителей. На первый взгляд, высокая реакционная способность — несомненное достоинство РРП, однако слишком быстрое протекание реакции создавало определенные технологические сложности при их нанесении в виде равномерного тонкого слоя поверх напыленных пленок металлического свинца на большой площади.

Согласно новому методу, расплав полииодидов образуется in-situ непосредственно на поверхности металлического свинца. Для этого методом термического вакуумного напыления формируется двухслойная структура, состоящая из тонких пленок металлического свинца и органической соли, например иодида метиламмония. Компоненты двухслойной структуры сами по себе не реагируют между собой, что позволяет в процессе ее формирования методом вакуумного термического напыления с высокой точностью контролировать толщину наносимых слоев и задавать необходимое соотношение между компонентами реакции.

Затем сформированную двухслойную структуру обрабатывают парами йода. При их контакте с верхним слоем пленки, органической солью, быстро образуется реакционный расплав полииодида, который тут же реагирует с нижним слоем — металлическим свинцом. В результате образуется однородная пленка светопоглощающего слоя, толщина которой задается количеством нанесенного в начале процесса свинца.

Благодаря тому, что площадь рабочей поверхности фотоэлектрических элементов станет больше, в дальнейшем можно будет масштабировать технологию и расширить перспективы коммерциализации перовскитных модулей.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес [email protected]ndicator.ru.

Перовскит увеличит эффективность кремниевых солнечных батарей без ущерба для производства

Поверхность кремниевых пирамидок в солнечном элементе, покрытых слоем перовскита

EPFL

Швейцарские ученые разработали технологию получения солнечного элемента, который одновременно включает в себя и кремниевую, и перовскитную части. Эффективность гибридной батареи составила 25,2 процента — это рекордный показатель для батарей такого типа. При этом стоимость технологии не сильно отличается от стоимости производства стандартных кремниевых элементов, пишут ученые в Nature Materials.

Наиболее распространенным полупроводниковым материалом, который может поглощать солнечный свет и преобразовывать его в электрическую энергию, остается кремний — именно из него сделано большинство современных солнечных батарей. Один из основных недостатков этого материала — фундаментальные ограничения в эффективности преобразования энергии: для однослойной солнечной батареи из кремния ее максимум не превышает 30 процентов. Значительно больших КПД удается добиться при использовании многослойных ячеек из других полупроводниковых материалов. Например, эффективность солнечных батарей из арсенидов галлия и индия приближается к 50 процентам, однако их производство очень дорого и в промышленных масштабах пока что не может быть реализовано.

В качестве замены кремнию именно для массового производства солнечных батарей чаще других материалов предлагают использовать соедиенения со структурой перовскита. Обычно перовскитные солнечные ячейки включают в себе органо-неорганические материалы на основе трииодида метиламмония свинца (CH3NH3PbI3), и уже сейчас их эффективность превышает 20 процентов. Дополнительно повысить КПД батарей на основе перовскитных материалов тоже можно за счет использования многослойных полупроводниковых структур, однако, как и в случае с арсенидными элементами, производство эффективных перовскитных ячеек из большого числа слоев нанометровой толщины пока остается слишком дорогим.

Для уменьшения стоимости производства многослойных перовскитных солнечных элементов и одновременного увеличения их эффективности швейцарские ученые под руководством Кентена Жангро (Quentin Jeangros) из Федеральной политехнической школы Лозанны предложили наносить тонкий слой перовскитного полупроводника на поверхность более эффективных кремниевых ячеек. Использование подобных гибридных элементов позволяет увеличить эффективность поглощения солнечного света: перовскит лучше поглощает в синей и зеленой частях спектра, а кремний — в красной и инфракрасной.

Подобные гибридные ячейки уже пытались получать, однако все они использовали плоские полированные кремниевые поверхности, которые недостаточно эффективно поглощают свет. Более эффективные кристаллы кремния, которые используются сейчас в солнечных элементах, имеют на своей поверхности текстуру, состоящую из массива пирамидок микронного размера, что сильно снижает долю отраженного света. Однако такая текстура затрудняет осаждение на нее слоев других составов с помощью традиционных методов (таких как спин-коутинг). Поэтому в данном случае ученые предложили использовать для получения перовскитного и промежуточных слоев целый комплекс методов осаждения пленок из газовой фазы после совместного испарения компонентов, в том числе термическое напыление, атомно-слоевое осаждение и магнетронное распыление.

Схема слоистой структуры гибридного солнечного элемента (слева) и изображения его поверхности, полученные с помощью атомно-силовой микроскопии — до (b) и после (c) нанесения на поверхность кремния перовскитного слоя

F. Sahli et al./ Nature Materials, 2018

В результате правильного подбора составов всех слоев, необходимых для создания p-i-n-перехода, химикам удалось получить солнечный элемент, в котором поверхность кремния покрывала многослойная структура, включающая основной слой перовскита толщиной около 400 нанометров. Эффективность преобразования энергии солнечного элемента составила 25,2 процента — это рекордный показатель для гибридных батарей такого типа. А за счет использования именно пирамидальной кремниевой поверхности удалось добиться и высокого значения плотности тока в ячейке: она достигала 19,5 миллиампер на квадратный сантиметр.

Микрофотографии поверхности солнечного элемента после нанесения на поверхность кремния перовскитного слоя

F. Sahli et al./ Nature Materials, 2018

По словам авторов работы, основное достоинство предложенного метода — это его полная совместимость с современной технологией производства кремниевых батарей. Поэтому добавление к процессу одной дополнительной стадии не сильно скажется на стоимости производства, зато значительно увеличит эффективность получаемых элементов. Ученые отмечают, что в дальнейшем с помощью такого подхода эффективность гибридных солнечных ячеек может быть увеличена и до 30 процентов.

Одна из главных недостатков современных перовскитных батарей — их химическая и физическая деградация, которая приводит к быстрому снижению эффективности. Чтобы решить эту проблему, исследователи предлагают различные подходы. Например, недавно для этого химики разработали перовскитную солнечную батарею с дополнительным слоем фторированного графена, который не дал КПД элемента упасть за месяц больше, чем на 18 процентов. Другой способ замедления деградации — снятие внутренних напряжений в кристалле, к которому может привести облучение батареи светом энергией больше ширины запрещенной зоны.

Александр Дубов

Найден способ сделать перовскитовые солнечные батареи еще эффективнее

Эффективность солнечных элементов из галогенидных перовскитов уже превышает 25% при их низкой стоимости, что делает их одними из наиболее перспективными в современной фотовольтаике. Для улучшения эффективности обычно используют две стратегии: улучшение сбора зарядов или увеличение поглощения света. Однако первый способ подразумевает внедрение дополнительных веществ в структуру перовскита или включение 2-d структур, что значительно удорожает стоимость получения устройств. Исследователи Университета ИТМО решили обойти эту проблему — они использовали один из самых доступных в природе элементов — кремний — и при помощи методов коллоидной химии создали из наночастиц на его основе пасту для контроля распределения света внутри перовскитного солнечного элемента. Это позволило повысить генерацию фототока в структуре и увеличить эффективность солнечных элементов на основе самого простого состава перовскита до максимума. Результат работы исследователей опубликован в престижном международном журнале Nano Energy.

«Это буквально модернизованная паста, которая необходима перовскитным элементам для селективного сбора зарядов, в которую просто добавляются резонансные наночастицы в необходимом количестве, после чего она наносится во время производства солнечных элементов. При этом сам технологический процесс не усложняется, а стоимость кремниевых частиц невысока, — объясняет первый автор исследования, младший научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Александра Фурасова. — Также мы изучили влияние расстояния между наночастицами в элементах на направленность рассеивания света ими и меняли концентрацию их в пасте, чтобы максимально сконцентрировать весь входящий свет в перовскитной области. От этого напрямую зависит эффективность конверсии света в электричество и все основные фотовольтаические параметры. С помощью мультифизических расчетов мы нашли оптимальную концентрацию наночастиц и приготовили идеальную пасту для создания электронно-транспортного слоя, где мы достигли практически максимальной эффективности для данного типа солнечных элементов».

Новый способ сверхбыстрого производства перовскитовых солнечных элементов

Поделись
Артикул

Вы можете свободно распространять эту статью в соответствии с международной лицензией Attribution 4.0.

Исследователи сообщают, что новый сверхбыстрый способ производства стабильных перовскитовых элементов и сборки их в солнечные модули может предложить более экологичный способ питания устройств, зданий и даже электросети.

Большинство современных солнечных элементов изготавливаются из очищенного кремния, который превращает солнечный свет в чистое электричество. К сожалению, процесс переработки кремния далек от чистоты и требует огромного количества энергии от электростанций, выбрасывающих углерод.

В качестве более экологичной альтернативы кремнию исследователи сосредоточились на тонкопленочных перовскитах — недорогих гибких солнечных элементах, которые можно производить с минимальными затратами энергии и практически без выбросов CO2.

Но, несмотря на то, что перовскитные солнечные элементы выглядят многообещающе, остаются серьезные проблемы, прежде чем они смогут стать обычным явлением, не последней из которых является присущая им нестабильность, что затрудняет их масштабное производство.

«Солнечная технология на основе перовскита находится на распутье между коммерциализацией и махинацией, — говорит Ник Ролстон, научный сотрудник Стэнфордского университета. «Миллионы долларов вкладываются в стартапы. Но я твердо верю, что в следующие три года, если не произойдет прорыв, который продлит срок службы клеток, эти деньги начнут иссякать».

Вот почему новый процесс такой захватывающий, говорит Ролстон. Он и его коллеги описывают новый метод в журнале Joule .

«Эта работа представляет собой новую веху в производстве перовскита», — говорит старший автор исследования Рейнхольд Даускардт, профессор Стэнфордской инженерной школы. «Это устраняет некоторые из самых серьезных препятствий для модульного производства, с которыми сообщество сталкивается в течение многих лет».

Образцы размером с ноготь

Солнечные элементы

на основе перовскита представляют собой тонкие пленки синтетического кристалла, изготовленные из дешевых, широко распространенных химических веществ, таких как йод, углерод и свинец.

Тонкопленочные элементы легкие и гибкие, и исследователи могут выращивать их в лабораториях под открытым небом при температурах, близких к температуре кипения воды, что далеко от печей с температурой 3000 градусов по Фаренгейту (1650 градусов по Цельсию), необходимых для очистки промышленных кремний.

Ученые разработали перовскитовые элементы, которые преобразуют 25% солнечного света в электричество с эффективностью преобразования, сравнимой с кремнием. Но вряд ли в ближайшее время эти экспериментальные ячейки будут установлены на крышах домов.

«Большая часть работ, проводимых с перовскитами, связана с действительно крошечными областями активного, пригодного для использования солнечного элемента. Они, как правило, составляют часть размера вашего ногтя на мизинце», — говорит Ролстон, который руководил исследованием вместе с Уильямом Шайделером, бывшим научным сотрудником Стэнфордского постдока, ныне работающим в Дартмутском колледже.

Попытки сделать ячейки большего размера привели к появлению дефектов и отверстий, которые значительно снижают эффективность ячеек. И в отличие от жестких кремниевых элементов, срок службы которых составляет от 20 до 30 лет, тонкопленочный перовскит со временем разлагается под воздействием тепла и влаги.

«Вы можете сделать небольшое демонстрационное устройство в лаборатории», — говорит Даускардт. «Но обычная обработка перовскита не масштабируется для быстрого и эффективного производства».

КПД преобразования энергии

Чтобы решить проблему крупномасштабного производства, исследователи применили запатентованную технологию, которую они недавно изобрели, называемую плазменной обработкой с быстрым распылением.

В технологии используется роботизированное устройство с двумя соплами для быстрого производства тонких пленок перовскита. Одно сопло распыляет жидкий раствор химических прекурсоров перовскита на оконное стекло, а другое выпускает выброс высокореактивного ионизированного газа, известного как плазма.

«Традиционная обработка требует выпекания раствора перовскита около получаса, — говорит Ролстон. «Наша инновация заключается в использовании высокоэнергетического плазменного источника для быстрого преобразования жидкого перовскита в тонкопленочный солнечный элемент за один этап.

Используя технологию быстрого распыления, группа производила 40 футов (12 метров) перовскитовой пленки в минуту — примерно в четыре раза быстрее, чем требуется для производства кремниевой ячейки.

«Мы достигли самой высокой производительности среди всех солнечных технологий, — говорит Ролстон. «Вы можете представить большие стеклянные панели, помещенные на ролики и непрерывно производящие слои перовскита с невиданной ранее скоростью».

Помимо рекордной производительности, новые перовскитовые элементы добились КПД преобразования энергии 18%.

«Мы хотим сделать этот процесс как можно более применимым и полезным», — говорит Ролстон. «Система плазменной обработки может показаться причудливой, но ее можно купить в коммерческих целях по очень разумной цене».

По оценкам команды, их перовскитовые модули могут быть изготовлены примерно по 25 центов за квадратный фут, что намного меньше, чем 2,50 доллара или около того за квадратный фут, необходимые для производства типичного кремниевого модуля.

Перовскиты с длительной эффективностью

Кремниевые солнечные элементы

обычно соединяются в герметичные модули, чтобы повысить их выходную мощность и выдерживать суровые погодные условия.Производителям перовскитов в конечном итоге придется создавать стабильные и эффективные модули, чтобы быть коммерчески жизнеспособными.

С этой целью исследователи успешно создали перовскитовые модули, которые продолжали работать с эффективностью 15,5% даже после того, как они простояли на полке в течение пяти месяцев.

Обычные кремниевые модули производят электроэнергию по цене около 5 центов за киловатт-час. Чтобы конкурировать с кремнием, перовскитовые модули должны быть заключены в атмосферостойкий слой, который не пропускает влагу в течение как минимум десяти лет.В настоящее время исследовательская группа изучает новые технологии инкапсуляции и другие способы значительного повышения долговечности.

«Если мы сможем построить модуль из перовскита, который прослужит 30 лет, мы сможем снизить стоимость электроэнергии ниже 2 центов за киловатт-час», — говорит Ролстон. «По такой цене мы могли бы использовать перовскиты для производства энергии в коммунальных масштабах. Например, солнечная ферма на 100 мегаватт».

В работе приняли участие дополнительные исследователи из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США и Стэнфорда.Исследование было поддержано Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики США и Программой стипендий для выпускников Национального научного фонда.

Источник: Стэнфордский университет

DOI оригинального исследования: 10.1016/j.joule.2020.11.001

Хотите дешевые солнечные батареи? Раскрась свою собственную перовскитовую солнечную батарею!

Пока не бегите в местный магазин игрушек, чтобы купить этот набор для рисования на солнечных батареях, но он или что-то подобное может появиться на рынке в один прекрасный день в сверкающем зеленом будущем.Министерство энергетики США предлагает недорогие солнечные батареи из перовскита, которые может изготовить каждый, используя подходящие материалы и дешевую кисть.

Фото Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии.

Перовскитные солнечные элементы против. Ядерная энергия

Последний шаг Министерства энергетики по перовскитным солнечным элементам вышел только вчера в виде длинной статьи на веб-сайте Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии.

Время и место размещения интересны с точки зрения рекламы.Это связано с тем, что ранее на этой неделе на главной странице Министерства энергетики была опубликована реклама в поддержку печально известной дороговизны атомной электростанции Vogtle в Джорджии.

Если подумать, то дело с Фогтлом не было чем-то вроде крика. Несмотря на то, что оно было опубликовано в форме пресс-релиза, это было всего лишь заявление из одного абзаца, приписываемое сотруднику пресс-службы, которое, по-видимому, указывает на то, что министр энергетики Рик Перри и другие руководители агентства не идут на риск ради Вот этот. Вот и все:

«Министерство энергетики (DOE) удовлетворено сегодняшним голосованием за продолжение строительства Vogtle 3 и 4.Этот исторический проект станет первым крупномасштабным энергетическим проектом, завершенным в Соединенных Штатах за более чем 30 лет, и подтвердит международное лидерство Америки в области ядерных технологий и обеспечит надежный, чистый источник энергии на десятилетия вперед. Министерство энергетики надеется, что успешное завершение этого проекта положит начало ядерному возрождению в Америке». N

Где мы были? Ах да, статья о перовскитных солнечных батареях. Мы вернемся к этому через минуту, а пока взгляните на последние новости от наших друзей по адресу Utility Dive и угадайте, почему никто в Министерстве энергетики не хочет брать на себя ответственность за поддержку проекта Vogtle, который, по Таким образом, получил кредитные гарантии на сумму более 8 миллиардов долларов через Управление кредитных программ агентства (обновление: сейчас эта цифра достигает 12 миллиардов долларов) :

В 2008 году стоимость проекта Vogtle оценивалась в 10 долларов.4 миллиарда. К 2017 году оценка выросла до 15,7 миллиарда долларов. Последняя редакция предполагает, что стоимость в настоящее время составляет около 18 миллиардов долларов, что, по оценкам S&P, составляет от 27 до 28 миллиардов долларов, включая затраты на финансирование.

Ой!

Солнечные батареи из перовскита своими руками: нет, правда!

А теперь хорошие новости. Для тех из вас, кто плохо знаком с этой темой, перовскит относится к классу синтетических материалов, которые имитируют свойства встречающегося в природе минерала перовскита.

Исследователи из NREL и других организаций стали одержимы использованием свойств перовскитов, преобразующих солнечную энергию, потому что они невероятно дешевы, и их можно приготовить в виде чернил, которыми можно буквально рисовать на поверхности.

С другой стороны, синтетические перовскиты не устойчивы к атмосферным воздействиям, поэтому перовскитные солнечные элементы должны быть разработаны с учетом долговечности.

Между тем, последняя разработка NREL по перовскитным солнечным элементам в значительной степени опирается на идею о том, что практически любой может нанести слой перовскитного солнечного материала на поверхность.

Другими словами, перовскиты могут стать мейнстримом на ура. Просто прогуляйтесь по отделу с красками в вашем местном магазине покраски и рассмотрите возможности для создания фотогальванических элементов своими руками:

Вот вывод из новой статьи NREL:

У Дэвида Мура дешевая кисть, которую можно купить в магазине для хобби менее чем за доллар.Твердой рукой в ​​пурпурной перчатке он наносит желтоватую жидкость на специально приготовленный кусок стекла размером с полдоллара. Вот так просто рождается перовскитовый солнечный элемент.

Нет, правда. Это буквально первый абзац довольно длинной статьи.

Обязательно прочитайте всю статью для контекста, но для тех из вас, кто в пути, давайте пропустим ее до середины, где ненадолго появятся высшие должностные лица из Министерства энергетики:

В середине января Мур передал свою кисть заместителю министра энергетики Марку Менезесу во время его визита в NREL.«Мы буквально проводили научный эксперимент, а не демонстрацию», — вспоминает Мур. «Мы не знали, что произойдет».

Менезес повторил успех Мура, его солнечный элемент вырабатывал около 100 милливольт. Усовершенствования процесса с тех пор довели это число до 650 милливольт, что является районом, в котором министр энергетики Рик Перри нашел свой собственный солнечный элемент, когда ему представилась возможность попробовать свои силы в рисовании перовскитов во время визита в NREL в середине -Август.

Взгляните на фотографию, предваряющую эту статью, и вы увидите, что на самом деле госсекретарь Перри прошлым летом приложил некоторые усилия к созданию перовскитового солнечного элемента.

CleanTechnica связывается с NREL, чтобы получить более подробную информацию о последних исследованиях перовскита, так что следите за обновлениями, чтобы узнать больше об этом.

Что дальше для ядерного оружия?

Для ясности: Министерство энергетики США не теряет интереса к поддержке новых ядерных технологий. Агентство имеет глубокие корни в Комиссии по атомной энергии времен Второй мировой войны и продолжает управлять национальным запасом ядерного оружия.

Однако с политической точки зрения проект Vogtle стал настолько горячей проблемой, что трудно себе представить какой-либо дальнейший интерес частного сектора к строительству еще одной новой ядерной установки такого масштаба, по крайней мере, не в США (во всем мире это другая история).

Тем не менее, по крайней мере одна компания — TerraPower Билла Гейтса — держится при поддержке Министерства энергетики. Мы предполагаем, что они работают с прицелом на экспорт технологии, а не на строительство новых ядерных объектов в США, но это всего лишь дикое предположение.

Хотя технология TerraPower ассоциируется с тенденцией к созданию небольших модульных ядерных реакторов, очевидно, что компанию больше интересуют проекты масштаба Фогтла.

Что касается Vogtle, то в настоящее время это единственный коммерческий реактор, строящийся в США, и не похоже, что в ближайшее время он разделит внимание новичков, независимо от того, Гейтс это или нет.

На момент написания этой статьи два блока электростанции не будут подключены к сети до ноября 2022 года, а в общей сложности будет выработано 2430 мегаватт электроэнергии с нулевым уровнем выбросов.

Тем временем, помимо новых технологий, таких как солнечные батареи на основе перовскита, вдоль восточного побережья США возникает еще один бум с нулевым уровнем выбросов, где прибрежные государства, такие как Джорджия, могут воспользоваться богатым рынком оффшорной ветроэнергетики, а также сэкономить на электроэнергии.

Технический морской ветроэнергетический потенциал США составляет около 2000 гигаватт — да, это гигаватт — так что посчитайте сами.

При администрации Обамы США медленно стартовали с оффшорным ветром, поскольку некоторые прибрежные штаты (вы знаете, кто вы такие) выступали против федеральной политики, направленной на поощрение оффшорного развития.

По странной иронии судьбы оффшорная ветроэнергетика разгоняется до сверхскорости при президенте* Трампе, так что посчитайте.

Подпишитесь на меня в Твиттере.

*Развитие истории.

Цените оригинальность CleanTechnica? Подумайте о том, чтобы стать участником, сторонником, техническим специалистом или послом CleanTechnica – или покровителем на Patreon.


Реклама
Есть совет для CleanTechnica, хотите разместить рекламу или предложить гостя для нашего подкаста CleanTech Talk? Свяжитесь с нами здесь.

Ученые изобрели сверхбыстрый способ сделать солнечные модули более экологичными

Большинство современных солнечных элементов изготавливаются из очищенного кремния, который превращает солнечный свет в чистое электричество. К сожалению, процесс переработки кремния далек от чистоты и требует огромного количества энергии от электростанций, выбрасывающих углерод.

Солнечный модуль из перовскита, изготовленный методом плазменной обработки с быстрым распылением. Лаборатория профессора Стэнфордского университета Рейнхольда Даускардта показала, что перовскитовые модули можно производить дешевле и в четыре раза быстрее, чем обычные кремниевые панели.(Изображение предоставлено Ником Ролстоном)

В качестве более экологичной альтернативы кремнию исследователи сосредоточились на тонкопленочных перовскитах — недорогих гибких солнечных элементах, которые можно производить с минимальными затратами энергии и практически без выбросов CO 2 .

Хотя перовскитные солнечные элементы являются многообещающими, необходимо решить серьезные проблемы, прежде чем они смогут стать обычным явлением, не последней из которых является присущая им нестабильность, что затрудняет их производство в больших масштабах.

«Солнечная технология на основе перовскита находится на перепутье между коммерциализацией и махинацией», — сказал аспирант Стэнфордского университета Ник Ролстон.«Миллионы долларов вкладываются в стартапы. Но я твердо верю, что в следующие три года, если не произойдет прорыв, который продлит срок службы клеток, эти деньги начнут иссякать».

Вот почему новый процесс производства перовскита, разработанный в Стэнфорде, так интересен, сказал Ролстон. В новом исследовании, опубликованном в номере журнала Джоулей , от 25 ноября, он и его коллеги демонстрируют сверхбыстрый способ производства стабильных перовскитных элементов и сборки их в солнечные модули, которые могут питать устройства, здания и даже электричество. сетка.

«Эта работа представляет собой новую веху в производстве перовскита», — сказал старший автор исследования Рейнхольд Даускардт, профессор Рут Г. и Уильяма К. Боуз в Стэнфордской школе инженерии. «Это устраняет некоторые из самых серьезных препятствий для модульного производства, с которыми сообщество сталкивается в течение многих лет».

Образцы размером с ноготь

Солнечные элементы на основе перовскита представляют собой тонкие пленки синтетического кристалла, изготовленные из дешевых, широко распространенных химических веществ, таких как йод, углерод и свинец.

Тонкопленочные элементы легкие, гибкие, и их можно выращивать в лабораториях под открытым небом при температурах, близких к температуре кипения воды, что далеко от печей с температурой 3000 градусов по Фаренгейту (1650 градусов по Цельсию), необходимых для очистки промышленного кремния.

Ученые разработали элементы из перовскита, которые преобразуют 25 процентов солнечного света в электричество с эффективностью преобразования, сравнимой с кремнием. Но вряд ли в ближайшее время эти экспериментальные ячейки будут установлены на крышах домов.

«Большая часть работ, проводимых с перовскитами, связана с действительно крошечными областями активного, пригодного для использования солнечного элемента.Они, как правило, составляют часть размера вашего ногтя на мизинце», — сказал Ролстон, который руководил исследованием вместе с Уильямом Шайделером, бывшим научным сотрудником Стэнфордского постдока, ныне работающим в Дартмутском колледже.

Попытки сделать ячейки большего размера привели к появлению дефектов и отверстий, которые значительно снижают эффективность ячеек. И в отличие от жестких кремниевых элементов, срок службы которых составляет от 20 до 30 лет, тонкопленочный перовскит со временем разлагается под воздействием тепла и влаги.

«Вы можете сделать небольшое демонстрационное устройство в лаборатории», — сказал Даускардт.«Но обычная обработка перовскита не масштабируется для быстрого и эффективного производства».

Процессор-рекордсмен

Чтобы решить проблему крупномасштабного производства, команда Dauskardt применила запатентованную технологию, которую они недавно изобрели, называемую плазменной обработкой с быстрым распылением.

Перейдите на веб-сайт для просмотра видео.

Ник Ролстон и Марк Шварц

Стэнфордские ученые демонстрируют роботизированное устройство, производящее солнечные батареи из перовскита со скоростью 40 футов в минуту.Рекордно быстрый процессор использует два сопла для изготовления тонких пленок фотогальванического перовскита. Одна форсунка распыляет химический раствор на оконное стекло, а другая выпускает струю высокореактивного ионизированного газа или плазмы. Запатентованное устройство было изобретено профессором Рейнхольдом Даускардтом и его коллегами из Стэнфордского инженерного института.

Эта технология использует роботизированное устройство с двумя соплами для быстрого производства тонких пленок перовскита. Одно сопло распыляет жидкий раствор химических прекурсоров перовскита на оконное стекло, а другое выпускает выброс высокореактивного ионизированного газа, известного как плазма.

«Традиционная обработка требует выпекания раствора перовскита около получаса», — сказал Ролстон. «Наша инновация заключается в использовании высокоэнергетического источника плазмы для быстрого преобразования жидкого перовскита в тонкопленочный солнечный элемент за один шаг».

Используя технологию быстрого распыления, команда из Стэнфорда смогла производить 40 футов (12 метров) перовскитной пленки в минуту — примерно в четыре раза быстрее, чем требуется для производства кремниевой ячейки.

«Мы достигли самой высокой производительности среди всех солнечных технологий, — сказал Ролстон.«Вы можете представить большие стеклянные панели, помещенные на ролики и непрерывно производящие слои перовскита с невиданной ранее скоростью».

В дополнение к рекордной производительности, недавно отчеканенные перовскитовые элементы достигли эффективности преобразования энергии 18 процентов.

«Мы хотим сделать этот процесс как можно более применимым и полезным, — сказал Ролстон. «Система плазменной обработки может показаться причудливой, но ее можно купить в коммерческих целях по очень разумной цене.

Стэнфордская команда подсчитала, что их перовскитовые модули могут быть изготовлены примерно по 25 центов за квадратный фут, что намного меньше, чем 2,50 доллара или около того за квадратный фут, необходимые для производства типичного кремниевого модуля.

Солнечные модули

Кремниевые солнечные элементы

обычно соединяются в герметичные модули, чтобы повысить их выходную мощность и выдерживать суровые погодные условия. Производителям перовскитов в конечном итоге придется создавать стабильные и эффективные модули, чтобы быть коммерчески жизнеспособными.

Ник Ролстон, Стэнфордский докторант в области материаловедения и инженерии. (Изображение предоставлено Ником Ролстоном)

С этой целью группа из Стэнфорда успешно создала перовскитные модули, которые продолжали работать с эффективностью 15,5% даже после того, как они простояли на полке в течение пяти месяцев.

Обычные кремниевые модули производят электроэнергию по цене около 5 центов за киловатт-час. Чтобы конкурировать с кремнием, перовскитовые модули должны быть заключены в атмосферостойкий слой, который не пропускает влагу в течение как минимум десяти лет.В настоящее время исследовательская группа изучает новые технологии инкапсуляции и другие способы значительного повышения долговечности.

«Если мы сможем построить модуль из перовскита, который прослужит 30 лет, мы сможем снизить стоимость электроэнергии ниже 2 центов за киловатт-час», — сказал Ролстон. «По такой цене мы могли бы использовать перовскиты для производства энергии в коммунальных масштабах. Например, солнечная ферма на 100 мегаватт».

Майкл Вудхаус, научный сотрудник Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США, также был соавтором исследования.Другими соавторами из Стэнфорда являются аспиранты Остин Флик, Джастин Чен и Оливер Чжао; и студенты Ханна Эльмараги и Эндрю Слей.

Эта работа была поддержана Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики США, а также Программой стипендий для выпускников Национального научного фонда.

Чтобы прочитать все новости о науке Стэнфорда, подпишитесь на выходящий раз в две недели Stanford Science Digest .

ученых из Стэнфорда изобрели сверхбыстрый способ изготовления солнечных батарей из перовскита

30 ноября 2020

Быстрое производство повышает потенциал этой экологически чистой альтернативы традиционным кремниевым солнечным панелям.

В поисках более экологичной альтернативы кремниевым солнечным элементам исследователи в последние годы сосредоточились на тонкопленочных перовскитах, которые позволяют производить недорогие гибкие солнечные элементы с минимальными затратами энергии и практически без выбросов CO 2 .

Но хотя солнечные элементы из перовскита являются многообещающими, необходимо решить серьезные проблемы, прежде чем они смогут стать обычным явлением, не последней из которых является присущая им нестабильность, что затрудняет их производство в больших масштабах.

«Солнечная технология на основе перовскита находится на распутье между коммерциализацией и махинацией», — прокомментировал постдокторант Стэнфордского университета Ник Ролстон. «Миллионы долларов вкладываются в стартапы. Но я твердо верю, что в следующие три года, если не произойдет прорыв, который продлит срок службы клеток, эти деньги начнут иссякать».

Ролстон говорит, что он в восторге от нового процесса производства перовскита, разработанного в Стэнфорде. В новом исследовании, опубликованном в журнале Joule, он и его коллеги представляют сверхбыстрый способ производства стабильных перовскитных элементов, из которых можно собирать солнечные модули.

«Эта работа представляет собой новую веху в производстве перовскита», — сказал старший автор исследования Рейнхольд Даускардт, профессор Рут Г. и Уильяма К. Боуз в Стэнфордской школе инженерии. «Это устраняет некоторые из самых серьезных препятствий для модульного производства, с которыми сообщество сталкивается в течение многих лет».

«Большая часть работ, проводимых с перовскитами, связана с действительно крошечными областями активного, пригодного для использования солнечного элемента. Они, как правило, составляют часть размера вашего мизинца», — сказал Ролстон, который руководил исследованием вместе с Уильямом Шайделером, бывшим научным сотрудником Стэнфордского постдока, ныне работающим в Дартмутском колледже.

Попытки сделать ячейки большего размера привели к появлению дефектов и отверстий, которые значительно снижают эффективность ячеек. И в отличие от жестких кремниевых элементов, срок службы которых составляет от 20 до 30 лет, тонкопленочный перовскит со временем разлагается под воздействием тепла и влаги. «Вы можете сделать небольшое демонстрационное устройство в лаборатории», — сказал Даускардт. «Но обычная обработка перовскита не масштабируется для быстрого и эффективного производства».

Серийное производство

Стэнфордские ученые разработали роботизированное устройство, производящее солнечные батареи из перовскита со скоростью 40 футов (12 метров) в минуту.Рекордно быстрый процессор использует два сопла для изготовления тонких пленок фотогальванического перовскита. Одна форсунка распыляет химический раствор на оконное стекло, а другая выпускает струю высокореактивного ионизированного газа или плазмы. Запатентованное устройство было изобретено профессором Рейнхольдом Даускардтом и его коллегами из Стэнфордского инженерного института.

В технологии используется роботизированное устройство с двумя соплами для быстрого производства тонких пленок перовскита (см. видео ниже). Одно сопло распыляет жидкий раствор химических прекурсоров перовскита на оконное стекло, а другое выпускает выброс высокореактивного ионизированного газа, известного как плазма.

«Традиционная обработка требует выпекания раствора перовскита около получаса», — сказал Ролстон. «Наша инновация заключается в использовании высокоэнергетического источника плазмы для быстрого преобразования жидкого перовскита в тонкопленочный солнечный элемент за один шаг».

Используя технологию быстрого распыления, команда из Стэнфорда смогла производить 40 футов (12 метров) перовскитной пленки в минуту — примерно в четыре раза быстрее, чем требуется для производства кремниевой ячейки.

«Мы достигли самой высокой производительности среди всех солнечных технологий, — сказал Ролстон.«Вы можете представить большие стеклянные панели, помещенные на ролики и непрерывно производящие слои перовскита с невиданной ранее скоростью».

В дополнение к рекордной производительности, недавно отчеканенные перовскитовые элементы достигли эффективности преобразования энергии 18 процентов. «Мы хотим сделать этот процесс как можно более применимым и полезным», — сказал Ролстон. «Система плазменной обработки может показаться причудливой, но ее можно купить в коммерческих целях по очень разумной цене.

Стэнфордская команда подсчитала, что их перовскитовые модули могут быть изготовлены примерно по 25 центов за квадратный фут, что намного меньше, чем 2,50 доллара или около того за квадратный фут, необходимые для производства типичного кремниевого модуля.

Кремниевые солнечные элементы

обычно соединяются в герметичные модули, чтобы повысить их выходную мощность и выдерживать суровые погодные условия. Производителям перовскитов в конечном итоге придется создавать стабильные и эффективные модули, чтобы быть коммерчески жизнеспособными. С этой целью команда из Стэнфорда успешно создала перовскитовые модули, которые продолжали работать в 15.5-процентная эффективность даже после пяти месяцев хранения на полке.

Видео объяснение

Лаборатория профессора Рейнхольда Даускардта показала, что перовскитовые модули можно производить дешевле и в четыре раза быстрее, чем обычные кремниевые панели, как показано в следующем видео:

Представьте себе: Изготовление перовскитных солнечных элементов с помощью принтеров Kodak

Большинство представленных сегодня на рынке солнечных элементов изготавливаются путем распиливания блоков кремния на тонкие серебристые пластины, которые затем травятся и покрываются.Процесс может занять несколько часов, и ценный материал будет потерян, так как почти половина кремния превратится в опилки. Тонкопленочные солнечные модули, напротив, изготавливаются путем покрытия больших поверхностей, таких как стеклянные или пластиковые листы, и на их изготовление может уйти значительно меньше времени — нет необходимости пилить или травить.

Получив в 2017 году от Управления технологий солнечной энергетики США (SETO) награду в размере 2 млн долларов, Energy Materials Corporation (EMC) занимается разработкой недорогого процесса производства перовскитных фотоэлектрических модулей.Но EMC сталкивается с огромной проблемой: сделать ячейки из перовскита более долговечными. Перовскит разлагается под воздействием влаги, света и тепла.

Jinsong Huang исследует эту проблему с 2014 года. Имея финансирование SETO на сумму более 1 миллиона долларов, Хуанг и его команда из Университета Небраски в Линкольне изучили, как улучшить прочность и стабильность перовскитных фотоэлементов, чтобы они могли лучше поглощать солнечный свет, преобразовывать его. к электрической энергии и противостоять деградации. Эта работа привела к разработке солнечных элементов, которые используют солнечный свет более эффективно, чем обычные солнечные элементы.

Соединение перовскитового элемента с кремниевым элементом для формирования тандемного элемента может преобразовывать солнечный свет в электричество лучше, чем солнечные элементы, представленные сегодня на рынке. Поддержка со стороны SETO помогла команде Хуанга создать тандемную ячейку с исследователями из Университета штата Аризона, которая показала уровень эффективности 25,4%, что является мировым рекордом в 2018 году.

Генеральный директор EMC Стефан ДеЛука пригласил Хуанга к сотрудничеству для расширения процессов производства высокоэффективных перовскитных солнечных элементов. В лабораторных экспериментах Хуанг использовал центрифугирование: основание солнечного элемента помещается в машину, на нее наносится жидкий перовскит, и машина вращается, чтобы распределить перовскит тонким равномерным слоем.

Но центрифугирование подходит только для производства небольших партий солнечных элементов. Это заняло бы слишком много времени и стоило бы слишком дорого для промышленного производства.

Однако с покрытием лезвия машина намазывает жидкий перовскит на основание ячейки, как тост с маслом. Хуанг разработал новый раствор жидкого перовскита, который увеличил скорость нанесения покрытия в пять раз — прорыв с производственным потенциалом промышленного уровня.

Затем EMC и Huang объединились с Eastman Kodak, бывшим производителем пленки, чтобы сдать в аренду свои высокоскоростные рулонные принтеры — те же принтеры, которые используются для изготовления фотопленки — для производства перовскитных солнечных элементов.

Сделать солнечные элементы из перовскита стабильными

Остановите деградацию этих многообещающих фотоэлектрических элементов, призывают Ян Ян и Цзинби Ю.

Солнечные батареи из перовскита становятся больше и эффективнее. Предоставлено: Microquanta Semiconductor

Идет охота за дешевой и безопасной технологией солнечных батарей.Кристаллический кремний является основой для 90% коммерческих фотоэлектрических устройств, которые используют полупроводники для преобразования света в электричество. Но кремниевые фотоэлектрические элементы по-прежнему дороги в обработке, при их производстве образуются токсичные побочные продукты, и их сложно устанавливать.

Перовскиты могут изменить правила игры. Эти материалы имеют кристаллическую структуру, основанную на пирамидальном тетраэдрическом расположении атомов или молекул. Давно изучаемые как потенциальные полупроводники, сверхпроводники, а также из-за их оптических и магнитных свойств, перовскиты также эффективно поглощают свет и переносят заряды — идеальные свойства для захвата солнечной энергии.

Фотоэлементы из перовскита дешевы и просты в сборке. Обычно они сочетают в себе общие неорганические и органические компоненты, часто метиламмоний или формамидиний, оба соединения углерода, водорода и азота. В растворе их можно печатать на стекле или пленке площадью несколько квадратных сантиметров. Они также менее чувствительны к примесям, чем дорогие кристаллические полупроводники, такие как арсенид галлия.

В последнее десятилетие исследования солнечных элементов на основе перовскита резко возросли.По крайней мере, в лаборатории эффективность устройств на основе перовскита теперь более чем сопоставима с устройствами на основе кремния (см. «Повышение производительности»). В 2006 году первая перовскитная фотоэлектрическая батарея преобразовала 2,2% фотонов в электроны 1 ; к 2016 году этот показатель составил 22,1%. Силиконовые кровельные панели имеют КПД 16–20%; перовскитных клеток теоретически может достигать 31%. И даже более высокая эффективность может быть достигнута за счет комбинирования кремниевых и перовскитных устройств.

Однако использование перовскитов в промышленных масштабах сопряжено с серьезными трудностями.Главным из них является стабильность: в настоящее время элементы работают только в течение нескольких месяцев на открытом воздухе, в то время как кремниевые солнечные панели обычно гарантированно работают не менее 25 лет. Изменения погоды и экстремальные уровни освещенности, температуры и влажности вызывают разложение клеток перовскита. Влажность – самая большая проблема. Реакции с водой образуют гидраты, которые изменяют структуру кристаллов так, что они не могут поглощать видимый свет. За последнее десятилетие время жизни клеток увеличилось с нескольких минут до 6 месяцев. Но требуется гораздо больше работы.

Здесь мы выделяем пять способов повышения стабильности перовскитных солнечных элементов. Мы считаем, что в течение двух лет они могут превысить эффективность 25%, оставаясь стабильными более года.

Кристаллическая структура. Даже небольшие различия в расположении атомов влияют на стабильность 2,3 . Перовскиты имеют формулу ABX 3 , в которой A представляет собой органический или неорганический компонент, B представляет собой атом металла, а X представляет собой галогенид. Исследователи пытались изменить сайт А, чтобы сформировать более стабильную фазу, и эти изменения, по-видимому, меньше влияют на оптоэлектронные свойства, чем изменения в B или X.Это привело, например, к форме перовскита, которая остается стабильной до 170 °C. «Легирование» кристалла — или введение небольших дефектов — ионами цезия или органическими группами также повысило стабильность с менее чем 100 часов до более 1000 часов 2,3 . Слабые взаимодействия катиона А с В и Х также ограничивают структурную стабильность перовскита.

Варьируя сайт X, одна группа обнаружила, что использование небольших ионов бромида, а не больших иодидов, повышает стабильность 4 .В меньшем количестве исследований изучалось изменение сайта B, но тесты, в которых свинец заменялся такими элементами, как олово и германий, снижали эффективность и стабильность.

Изменение кристаллической структуры не панацея. Решение одной проблемы влияет на все остальные. Добавление больших молекул разрушает кристалл и нарушает поток заряда. Эффективность может упасть более чем вдвое 5 . Но это может быть выгодно: расщепление перовскита на «квази-двумерные» листы снижает водопоглощение, например 5 .

В целом, мы считаем, что введение небольшого количества больших групп на сайт А — лучший способ повысить стабильность без слишком большого ущерба для эффективности.

Качество пленки. Влага и ионные дефекты проникают через промежутки между кристаллическими зернами перовскита, разрушая стабильность 6 . Поэтому создание перовскитных пленок с более крупными кристаллами и меньшим количеством границ зерен является приоритетом. И исследователям необходимо выяснить, могут ли пористые структуры быть более стабильными, чем плоские.

Альтернативные конструкции. Некоторые экзотические формы перовскитов теоретически обладают привлекательными электронными и оптическими свойствами. И примерами являются те, у которых «элементарная ячейка» — расположение молекул, которое повторяется по всей кристаллической решетке — вдвое больше (например, Cs 2 BiAgCl 6 и Cs 2 BiAgBr 6 ) 7 . Но такие двойные формы еще не были включены в солнечные элементы. Необходимы эксперименты, направленные на увеличение срока службы носителей заряда, уменьшение количества дефектов и решение проблем с обработкой.

«Только посредством строгих и систематических измерений мы можем наблюдать, как модификации делают эти солнечные элементы более стабильными. ”

Проводящие слои и интерфейсы. В солнечном элементе перовскит зажат между двумя слоями, проводящими заряды (электроны и дырки). Они соединены электродами, по крайней мере, один из которых прозрачен, чтобы сквозь него мог проходить свет. Свойства всех этих материалов могут влиять на стабильность ячейки.Например, слой малой молекулы Spiro-OMeTAD часто используется для транспорта дырок. Соль лития обычно добавляют для повышения его проводимости. Но соль поглощает воду, которая разрушает перовскит. Диоксид титана (TiO 2 ), который широко используется в качестве материала для переноса электронов, разрушается под действием ультрафиолетового света. Альтернативные носители заряда включают фуллерены и полимер PEDOT:PSS, но они также поглощают воду или реагируют с кислородом.

Необходимы другие материалы для транспортировки заряда 8 .Они должны быть способны образовывать высококачественные пленки, отталкивать воду и быть химически и термически устойчивыми. Кандидаты включают углерод, углеродные нанотрубки и неорганические оксиды металлов, такие как NiO x , SnO 2 , ZnSnO 4 и BaSnO 3 . Стабильные изоляционные материалы, такие как полиметилметакрилат (ПММА) и Al 2 O 3 , можно комбинировать с проводящим слоем для увеличения срока службы.

Остановка движения кристаллических дефектов через проводящий слой или через поверхность раздела с перовскитной пленкой также может повысить стабильность 9 .Несовершенства задерживают заряды и позволяют ионам мигрировать.

Инкапсуляция. Воздействие влаги и кислорода можно уменьшить, поместив устройства в инертную среду. Промышленные методы герметизации для органической электроники должны быть применимы к перовскиту с некоторыми модификациями. Обработка может потребовать настройки, чтобы свести к минимуму воздействие на клетки экстремальных температур, атмосферы и ультрафиолетового излучения.

Один из вариантов включает покрытия, содержащие люминесцентные фотополимеры, которые преобразуют УФ-свет в видимый свет.Они защищают клетку от воды, кислорода и УФ-излучения и улучшают ее работу 10 . Стабильные неорганические материалы, такие как SiO 2 , Si 3 N 4 или Al 2 O 3 , также можно комбинировать с органической эпоксидной матрицей.

Поиск новых стабильных материалов требует междисциплинарных исследований и дополнительного финансирования. Физикам-теоретикам и материаловедам необходимо рассчитать и предсказать свойства материалов; химики и материаловеды для синтеза и изучения их свойств; и инженеры для разработки устройств.

Нужны стандарты для тестирования стабильности — все участники должны предоставлять исчерпывающие данные о стабильности. Только с помощью строгих и систематических измерений мы можем наблюдать, как модификации делают эти солнечные элементы более стабильными. Публикации должны включать в себя сведения об условиях испытаний (например, влажность, температура и расход газа), а также информацию о герметизации и воздействии света, среди прочих мер.

Ссылки

  1. Кодзима, А., Teshima, K., Miyasaka, T. & Шираи Ю. в Proc. 210-е совещание ECS (ECS, 2006 г.).

  2. Салиба, М. и др. Энергетика Окружающая среда. науч. 9 , 1989–1997 (2016).

    КАС Статья Google ученый

  3. Мей, А. и др. Наука 345 , 295–298 (2014).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  4. Но, Дж.Х. и др. Нано Летт. 13 , 1764–1769 (2013).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  5. Tsai, H. et al. Природа 536 , 312–316 (2016).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  6. Wang, Q. et al. Энергетика Окружающая среда. науч. 10 , 515–522 (2017).

    Google ученый

  7. Филип М.R. J. Phys. хим. лат. 7 , 2579–2585 (2016).

    КАС Статья Google ученый

  8. You, J. et al. Природа Нанотехнологии. 11 , 75–78 (2016).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  9. Тан, Х. и др. Наука 355 , 722–726 (2017).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  10. Белла, Ф.и другие. Наука 354 , 203–206 (2016).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

Скачать ссылки

Информация об авторе

Членство

  1. Ян Ян — профессор кафедры материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Калифорния, США.

    Ян Ян

  2. Цзинби Ю — профессор Института полупроводников Академии наук Китая, а также Колледжа материаловедения и оптоэлектронных технологий Университета Академии наук Китая, Пекин, Китай.

    Цзинби Ю

Авторы, переписывающиеся

Переписка с Ян Ян или Цзинби Ю.

Об этой статье

Процитировать эту статью

Yang, Y., You, J. Сделать солнечные элементы из перовскита стабильными. Природа 544, 155–156 (2017). https://doi.org/10.1038/544155a

Загрузить цитату

Поделиться этой статьей

Любой, с кем вы поделитесь следующей ссылкой, сможет прочитать этот контент:

Получить ссылку для общего доступа

Извините, ссылка для общего доступа в настоящее время недоступна доступны для этой статьи.

Предоставлено инициативой Springer Nature SharedIt по обмену контентом.

Перовскитовая солнечная батарея — Институт чистой энергии

Что такое перовскит?

Перовскит — это материал, который имеет ту же кристаллическую структуру, что и минеральный оксид кальция и титана, первый обнаруженный кристалл перовскита. Как правило, соединения перовскита имеют химическую формулу ABX 3 , где «A» и «B» представляют собой катионы, а X представляет собой анион, который связывается с обоими.Большое количество различных элементов можно комбинировать вместе, чтобы сформировать структуры перовскита. Используя эту композиционную гибкость, ученые могут создавать кристаллы перовскита, обладающие широким спектром физических, оптических и электрических характеристик. Кристаллы перовскита сегодня находят в ультразвуковых аппаратах, чипах памяти, а теперь и в солнечных батареях.

 

Схема кристаллической структуры перовскита. (Викисклад)

 

Применение перовскитов в экологически чистой энергии

Все фотоэлектрические солнечные элементы основаны на полупроводниках — материалах, занимающих промежуточное положение между электрическими изоляторами, такими как стекло, и металлическими проводниками, такими как медь, — для преобразования энергии света в электричество.Солнечный свет возбуждает электроны в полупроводниковом материале, которые втекают в проводящие электроды и производят электрический ток.

 

Кремний был основным полупроводниковым материалом, используемым в солнечных элементах с 1950-х годов, поскольку его полупроводниковые свойства хорошо согласуются со спектром солнечных лучей, и он относительно распространен и стабилен. Однако большие кристаллы кремния, используемые в обычных солнечных панелях, требуют дорогостоящего многоэтапного производственного процесса, в котором используется много энергии.В поисках альтернативы ученые использовали возможности перовскитов для создания полупроводников со свойствами, подобными кремнию. Солнечные элементы из перовскита могут быть изготовлены с использованием простых методов аддитивного осаждения, таких как печать, с меньшими затратами и энергией. Из-за композиционной гибкости перовскитов их также можно настроить так, чтобы они идеально соответствовали солнечному спектру.

 

В 2012 году исследователи впервые обнаружили, как сделать стабильный тонкопленочный перовскитовый солнечный элемент с эффективностью преобразования световых фотонов в электроны более 10%, используя перовскиты галогенида свинца в качестве светопоглощающего слоя.С тех пор эффективность преобразования солнечного света в электрическую энергию перовскитных солнечных элементов резко возросла, а лабораторный рекорд составил 25,2%. Исследователи также комбинируют перовскитные солнечные элементы с обычными кремниевыми солнечными элементами — рекордная эффективность этих тандемных элементов «перовскит на кремнии» в настоящее время составляет 29,1% (превышая рекордные 27% для обычных кремниевых элементов) и быстро растет. С таким быстрым ростом эффективности элементов перовскитные солнечные элементы и перовскитные тандемные солнечные элементы вскоре могут стать дешевыми и высокоэффективными альтернативами обычным кремниевым солнечным элементам.

 

Сечение перовскитового солнечного элемента. (Институт чистой энергии)

Каковы некоторые текущие цели исследований?

Несмотря на то, что солнечные элементы из перовскита, в том числе тандемы из перовскита на кремнии, коммерциализируются десятками компаний по всему миру, все еще существуют фундаментальные научные и инженерные проблемы, которые необходимо решить, чтобы улучшить их производительность, надежность и технологичность.

 

Некоторые исследователи перовскита продолжают повышать эффективность преобразования, характеризуя дефекты в перовските.Хотя перовскитные полупроводники удивительно устойчивы к дефектам, дефекты по-прежнему негативно влияют на производительность, особенно те, которые возникают на поверхности активного слоя. Другие исследователи изучают новые химические составы перовскитов, как для настройки их электронных свойств для конкретных приложений (например, тандемных стеков ячеек), так и для дальнейшего улучшения их стабильности и срока службы.

 

Исследователи также работают над новыми конструкциями элементов, новыми стратегиями инкапсуляции для защиты перовскитов от окружающей среды и пониманием основных путей деградации, чтобы они могли использовать исследования ускоренного старения, чтобы предсказать, как прослужат перовскитные солнечные элементы на крышах.Другие быстро изучают различные производственные процессы, в том числе способы адаптации перовскитовых «чернил» к устоявшимся методам широкомасштабной печати. Наконец, в то время как самые эффективные перовскиты сегодня производятся с небольшим количеством свинца, исследователи также изучают альтернативные составы и новые стратегии инкапсуляции, чтобы смягчить опасения, связанные с токсичностью свинца.

 

перовскит_видео_скрипт

диаграмма hotplate_program

 

Как CEI продвигает перовскиты?

Кристаллы перовскита часто имеют дефекты атомного масштаба, которые могут снизить эффективность преобразования солнечной энергии.Главный научный сотрудник CEI и профессор химии Дэвид Джинджер разработал методы «пассивации», обрабатывая перовскиты различными химическими соединениями для устранения этих дефектов. Но когда кристаллы перовскита собираются в солнечные элементы, токосъемные электроды могут создавать дополнительные дефекты. В 2019 году Джинджер и его сотрудники из Технологического института Джорджии получили финансирование от Управления технологий солнечной энергетики (SETO) Министерства энергетики США для разработки новых стратегий пассивации и новых материалов для сбора заряда, позволяющих перовскитным солнечным элементам полностью раскрыть свой потенциал эффективности, оставаясь при этом совместимыми с малозатратное производство.

 

Профессор химии Даниэль Гамелен и его группа стремятся модифицировать кремниевые солнечные элементы с перовскитным покрытием для более эффективного сбора высокоэнергетических фотонов синего света, обходя теоретический предел преобразования в 33% для обычных кремниевых элементов. Гамелен и его команда разработали перовскитовые квантовые точки — крошечные частицы в тысячи раз меньше человеческого волоса — которые могут поглощать фотоны высокой энергии и излучать в два раза больше фотонов низкой энергии. Этот процесс получил название «квантовая резка».«Каждый фотон, поглощаемый солнечным элементом, генерирует один электрон, поэтому перовскитное покрытие с квантовыми точками может значительно повысить эффективность преобразования.

 

Гамелин и его команда создали дочернюю компанию под названием BlueDot Photonics для коммерциализации технологии. При финансовой поддержке SETO компании Gamelin и BlueDot разрабатывают методы осаждения для создания тонких пленок перовскитовых материалов для солнечных элементов большой площади и для улучшения свойств обычных кремниевых солнечных элементов.

 

Профессор химической инженерии Хью Хиллхаус использует алгоритмы машинного обучения для исследования перовскитов.Используя фотолюминесценцию, снятую с помощью высокоскоростного видео, Хиллхаус и его группа тестируют различные гибридные перовскиты на долговременную стабильность. Эти эксперименты генерируют огромные наборы данных, но с помощью машинного обучения они нацелены на создание прогностической модели деградации перовскитных солнечных элементов. Эта модель может помочь им оптимизировать химический состав и структуру перовскитного солнечного элемента для долговременной стабильности, что является ключевым препятствием для коммерциализации.

 

На испытательных стендах для чистой энергии в Вашингтоне, лаборатории открытого доступа, управляемой CEI, исследователи и предприниматели могут использовать самое современное оборудование для разработки, тестирования и масштабирования таких технологий, как солнечные элементы на основе перовскита.Используя рулонный принтер на испытательных стендах, перовскитные чернила можно печатать при низких температурах на гибких подложках. Технический директор испытательных стендов Дж. Девин Маккензи, профессор материаловедения, инженерии и машиностроения в Университете Вашингтона, является экспертом в области материалов и технологий для производства с высокой производительностью и низким уровнем выбросов углерода. Один из самых активных проектов его группы, также финансируемый SETO, — разработка инструментов на месте, которые могут измерять рост кристаллов перовскита по мере их быстрого осаждения во время печати с рулона на рулон.При поддержке Объединенного центра разработки и исследования материалов, содержащихся в Земле (JCDREAM), группа Маккензи также использует принтер с самым высоким в мире разрешением для разработки новых электродов для вытягивания электрического тока из перовскитных солнечных элементов, не блокируя попадание солнечного света в элемент.