Ни один солнечный материал пока не смог вытеснить кремний. Перовскиты, которые намного дешевле и могут стать основой гибких модулей, вот-вот выйдут на рынок и изменят привычный порядок вещей.
В декабре 2018 года исследователи в лаборатории британского Оксфорда смогли создать фотоэлемент площадью около 1 сантиметра, который в искусственном свете лампы смог достичь КПД 28%. Это новый рекорд эффективности для устройства на основе перовскита и кремния.
Устройство представляло собой две камеры, расположенные друг над другом. Нижняя часть была сделана из кремния, используемого в стандартных солнечных панелях, а сверху был перовскит, материал с кристаллической структурой. Такие двойные солнечны элементы еще называют тандемными.
Независимый тест подтвердил это несколько дней спустя, после того как крошечный солнечный элемент отправили в Национальную лабораторию возобновляемой энергии (NREL) США.
Кремний, который доминирует на рынке солнечной энергии, не является особенно хорошим солнечным материалом. В основном он преобразует свет от красного и инфракрасного солнечного спектра, и фотоэлементы на его основе должны быть достаточно толстым и громоздким, чтобы поглощать и преобразовывать фотоны. Самые эффективные кремниевые солнечные панели на рынке достигают эффективности менее 23%, в то время как теоретический максимум однослойного устройства такого типа составляет около 29%.
При этом перовскит может использовать больше света разных частей спектра. Ученые из Оксфорда выбрали синий спектр. А вместе с кремниевой частью эти два материала смогли конвертировать больше фотонов в электроны вместе, чем каждый из них по отдельности.
Oxford PV планирует поставлять на рынок солнечные элементы на основе перовскита и кремния к концу 2020 года, используя немецкий завод, приобретенный в 2016 году у Bosch Solar.
В конце 2000-х ряд хорошо финансируемых стартапов попытался вывести на рынок новые и более гибкие солнечные материалы, в том числе тонкопленочные технологии, такие как теллурид кадмия и селенид меди-индия-галлия (например, Solyndra), а также органические солнечные элементы. Было обещано, что ячейки, изготовленные из таких материалов, будут намного дешевле в производстве и смогут выпускаться в различных формах.
Но кремниевые солнечные панели быстро подешевели и получили стимулирование от властей, вытеснив такие идеи.
В частности, Китай использовал агрессивные субсидии и стратегии для ускорения производства и экспорта в стремлении доминировать на рынке. Поставки сборных модулей и доля на мировом рынке начались в середине 2000-х годов, что вызвало обвинения в незаконном демпинге с целью выжить зарубежных конкурентов. Цены на коммерческие кремниевые панели упали более чем вдвое с 2010 по 2013 год.
Один слой перовскита теоретически может достигать эффективности 33%, в то время как тандемное устройство перовскит-на-кремнии — около 43%. То есть можно производить больше электроэнергии из того же количества панелей или той же площади с меньшими затратами.
Производство кремниевых панелей — это многоступенчатый процесс изготовления, который включает рафинирование кремния при сильном нагревании, вливание его в другие материалы и точную нарезку на пластины, которые затем должны быть точно нанесены в чистом помещении для создания фотоэлектрического элемента.
Перовскиты, с другой стороны, могут быть изготовлены при низких температурах и использоваться в жидкой форме для покрытия ими гибких материалов, таких как пластик, что позволяет осуществлять процесс изготовления в рулонах, аналогичный печати газет.
Есть еще один стартап — Energy Materials, который также планирует использовать рулонное производство. Базирующаяся в Рочестере, штат Нью-Йорк, она использует пленочное оборудование, изначально созданное для Eastman Kodak, для массового производства перовскитовых солнечных батарей перовскита. В полном объеме этот процесс будет стоить вдвое дешевле, чем производство традиционного солнечного модуля, тогда как капитальные затраты обойдутся на порядок дешевле, поскольку кремний требует дорогих, точных машин и установок. Поскольку перовскит может быть гибким, полупрозрачным и легким, его также можно использовать там, где тяжелые жесткие солнечные панели не будут работать — на окнах, хрупких крышах, поверхностях неправильной формы или даже на транспортных средствах.
Swift Solar, дочерняя компания NREL, за последние месяцы привлекла почти 7 миллионов долларов на разработку установки тандемных солнечных батарей на основе перовскита, в которых используются два слоя перовскита, каждый из которых настроен на свою часть спектра, на дронах и электромобилях.
Если перовскит все же сможет выйти на рынок, то дешевое солнечное электричество сможет снизить стоимость опреснения морской воды, искусственных деревьев, которые могут удалять углекислый газ из атмосферы, или электролизных установок, которые могут преобразовывать избыточную энергию в водородное топливо.
Но есть и друга проблема, перовскиты быстро разлагаются при воздействии ультрафиолетового света и влаги.