Перовскитовые солнечные элементы и альтернативы

Что такое перовскитовые солнечные элементы

Перовскитовые солнечные элементы основаны на уникальном классе материалов, получивших свое название по кристаллической структуре материала. Химическая формула перовскита придает ему уникальные светопоглощающие свойства. Структура перовскита несложна и позволяет использовать недорогие методы превращения его в работающие солнечные элементы. В лабораторных условиях эти элементы достигли поразительных показателей преобразования энергии. По словам ученых, структура перовскита помогает поглощать широкий диапазон длин волн солнечного света. Это, в свою очередь, является одним из ключевых факторов, позволяющих улавливать больше солнечной энергии.

Эти ячейки привлекли к себе внимание потому, что их можно приготовить с помощью обработки растворов. Это означает, что для производства требуется меньше оборудования и энергии. По своей концепции производственный процесс схож с технологиями печати, используемыми в других отраслях. Процесс можно быстро запустить в контролируемой среде. В технологии используются недорогие материалы. Однако, по сравнению с кремниевыми панелями, перовскитовый метод все еще находится на стадии становления. Ведутся исследования, направленные на решение таких проблем, как ухудшение экологии и долговечность.

По сравнению с традиционными вариантами, перовскитовые солнечные элементы имеют гораздо более низкую стоимость производства. Даже в начальной стадии развития эффективность близка к той, что наблюдается в кремниевых солнечных элементах. Это вызвало интерес многих инженеров и исследователей. Многочисленные тематические исследования продемонстрировали целесообразность использования перовскитных материалов в тандеме с существующими технологиями. Первые полевые испытания, проведенные в умеренном климате, оказались многообещающими.

Сравнение с кремниевыми солнечными элементами

Кремниевые солнечные элементы долгое время были основой производства солнечной энергии. Они зарекомендовали себя как стабильно работающие и надежные в долгосрочной перспективе. Ниже приведены некоторые ключевые отличия:

- Эффективность: Перовскитные солнечные элементы в идеальных лабораторных условиях соответствуют кремниевым солнечным элементам или даже превосходят их. В некоторых экспериментах ученые отмечали эффективность выше 25 %. Эти цифры обнадеживают для следующего этапа развития солнечных батарей.

- Затраты на производство: С точки зрения стоимости явное преимущество имеют перовскитные солнечные элементы. Возможность печати или нанесения покрытия на эти элементы с помощью простого оборудования предполагает более низкие затраты на установку и производство. Панели на основе кремния требуют больших затрат энергии и дорогостоящего оборудования для их производства.

- Стабильность: Кремниевые панели существуют на рынке уже несколько десятилетий. Их долговременная работа была продемонстрирована в самых разных условиях окружающей среды. В отличие от них, перовскитовые солнечные элементы по-прежнему чувствительны к влаге и длительному освещению. Гораздо большая чувствительность к окружающей среде ограничивает возможности использования перовскитовых солнечных элементов на открытом воздухе. В настоящее время различные исследователи пытаются устранить эти недостатки с помощью инкапсуляции и химических модификаций.

- Материал и масштабируемость: Кремниевая промышленность совершенствовалась на протяжении многих лет и имеет огромные цепочки поставок. Кремний широко доступен и понятен. Однако перовскитовые материалы все еще находятся на стадии тестирования для крупномасштабного производства. Для расширения масштабов производства необходимы дальнейшие прорывы в контроле процессов, обеспечении качества и повышении долговечности.

Общая перспектива высокой эффективности, а также низкая стоимость перовскитовых солнечных элементов делают эту технологию весьма интересной. Однако практическое внедрение должно соответствовать стабильности и прочности кремниевых решений. Инженеры с нетерпением ждут того дня, когда перовскитовые элементы можно будет с уверенностью использовать на каждой крыше и солнечной ферме.

Сравнение с тонкопленочными солнечными элементами

Другой альтернативой являются тонкопленочные солнечные элементы, которые уже нашли множество применений в различных областях. Самое главное, что они просты в установке и имеют гибкую сферу применения. Теперь давайте сравним с ними перовскитовые солнечные элементы:

- Используемые материалы: Обычно тонкопленочные солнечные элементы изготавливаются из теллурида кадмия или селенида индия галлия меди. Эти материалы требуют контролируемого обращения. В перовскитовых элементах, напротив, используются очень простые, коммерчески доступные химические прекурсоры. Такая простота может привести к снижению себестоимости при массовом производстве.

- Эффективность: Обычно это видно из различных тестов, в которых тонкопленочные солнечные элементы демонстрируют более низкий КПД по сравнению с перовскитовыми солнечными элементами. Хотя они не улавливают солнечный свет так же эффективно, как перовскиты, их эффективность остается стабильной в течение длительного времени. Инженеры отмечают, что перовскитовые элементы иногда могут превосходить тонкопленочные элементы по эффективности преобразования энергии, особенно в лабораторных условиях. Это может свидетельствовать о том, что перовскиты имеют преимущество, если проблемы, связанные со стабильностью, будут решены.

- Производство: Технологии изготовления тонкопленочных элементов хорошо отработаны. Они совершенствовались в течение многих лет и могут быть оптимизированы для крупномасштабного производства. Производство перовскитов все еще совершенствуется. Масштабирование до промышленного уровня остается активной областью исследований. Требуется оптимизация процессов и совершенствование технологий производства, чтобы сделать их конкурентоспособными по сравнению с устоявшимися тонкопленочными методами.

Хотя эффективность тонкопленочных солнечных элементов ниже, их прочность и отработанные методы производства делают их более привлекательными. С другой стороны, перовскитовые ячейки открывают заманчивую перспективу, в которой высокая эффективность и низкая себестоимость будут идти рука об руку. Сейчас инженеры и исследователи также спорят о том, какая технология подойдет для того или иного применения. Например, для гибких устройств может потребоваться тонкопленочная технология, а для крыш частных домов в будущем преимущества будут у перовскитовых панелей.

Органические солнечные элементы: Сравнение

Органические солнечные элементы относятся к другой области светопоглощающих материалов. В них для улавливания солнечного света используются органические полимеры и небольшие молекулы. По некоторым параметрам их можно сравнить с перовскитовыми ячейками:

- Эффективность: Перовскитные элементы в целом более эффективны, чем органические солнечные элементы. Лабораторные данные показывают, что перовскитные устройства превосходят органические элементы по скорости преобразования солнечного света в электричество. Даже когда креативный дизайн показывает перспективность органических элементов, их абсолютная эффективность ограничена внутренними свойствами материала.

- Стабильность и срок службы: Органические солнечные элементы обычно имеют более короткий срок службы. Их материалы быстрее разрушаются под воздействием погодных условий и ультрафиолетового излучения. Перовскитные элементы более перспективны в этой области. При использовании более совершенных методов инкапсуляции перовскитовые элементы могут прослужить дольше, чем большинство органических. Эксперименты показали, что хорошо защищенные перовскитовые ячейки могут сохранять работоспособность в течение длительного времени.

- Стоимость и производство: Как органические, так и перовскитовые солнечные элементы могут быть изготовлены методом растворов. В целом, оба способа обработки являются менее трудоемкими по сравнению с производством кремниевых элементов. Однако перовскитовые ячейки имеют преимущество в этом отношении. Они демонстрируют лучшее соотношение эффективности и стоимости во многих тестовых случаях. Исследователи отмечают, что для изготовления органических элементов чаще всего требуются добавки или сложные методы наслоения, которые увеличивают стоимость без сопоставимого повышения эффективности.

Гибкость органических солнечных элементов позволила найти практическое применение в портативных и маломощных устройствах. В будущем технология перовскита может сыграть более значительную роль в развитии солнечной энергетики благодаря своей высокой эффективности и потенциалу недорогого производства. Многие экспериментальные исследования показали, что перовскиты могут вскоре стать конкурентоспособными для бытовой электроники, фотовольтаики, интегрированной в здания, и даже для крупномасштабного производства электроэнергии, если будут решены проблемы стабильности.

Заключение

Кремниевые солнечные элементы отличаются долговечностью и проверенной технологией, тонкопленочные - зрелостью производства и гибкостью дизайна, органические - легкими формами, которые удовлетворяют нишевые рынки, а перовскитовые солнечные элементы обещают высокую эффективность при низкой стоимости производства.

Часто задаваемые вопросы

F: В чем заключается наиболее существенное преимущество использования перовскитовых солнечных элементов?

В: Они обеспечивают высокую эффективность при низких производственных затратах по сравнению с обычными кремниевыми элементами.

F: В чем заключается текущая проблема перовскитовых элементов?

О: Они подвержены деградации под воздействием окружающей среды, что ограничивает их длительное использование на открытом воздухе.

F: Как перовскитовые элементы сравниваются с органическими солнечными батареями?

В: Они обычно демонстрируют более высокую эффективность и лучшую долгосрочную стабильность по сравнению с органическими элементами.