Что сдерживает массовое внедрение перовскитовых солнечных элементов?

Что особенного в перовскитовых солнечных элементах

Перовскитовые солнечные элементы - это молодой класс фотоэлектрических устройств, которые сразу же привлекли к себе внимание в области возобновляемых источников энергии. Они получили свое название от кристаллической структуры, распространенной в большом количестве минералов. Эти новые элементы сильно поглощают свет и эффективно преобразуют его в электричество с высокой эффективностью преобразования энергии. Многие группы продемонстрировали эффективность преобразования энергии, сравнимую с традиционными кремниевыми солнечными элементами и даже превосходящую их. Их перспективность обусловлена простым химическим составом и низкой стоимостью материалов.

Эти солнечные элементы вызывают интерес, поскольку предлагают новый подход. Их свойства делают их пригодными для интеграции в различные системы. В лабораторных условиях перовскитовые солнечные элементы были выращены с помощью низкотемпературной обработки растворов. Эта же техника может позволить печатать на гибких подложках в рулонах. Этот процесс похож на печать газет, что открывает путь к экономически эффективному производству. Во многих случаях такие ячейки могут быть изготовлены на пластике, а не на жестком стекле. Это открывает множество возможностей для их применения - от фотовольтаики, интегрированной в здания, до портативной электроники. Однако остаются проблемы с надежным производством таких пленок в больших масштабах.

Основные преимущества перовскитных солнечных элементов

Помимо многих других преимуществ, перовскитные солнечные элементы обладают рядом уникальных преимуществ по сравнению с традиционными технологиями солнечных батарей.

- Высокая эффективность преобразования энергии: По эффективности преобразования энергии они не уступают кремниевым элементам. В некоторых лабораторных испытаниях эффективность этих элементов достигала почти 25 процентов.

- Низкая стоимость производства: В процессе производства можно использовать методы обработки растворов и рулонные технологии. По сравнению с высокотемпературным производством кремния, этот процесс позволяет снизить энергопотребление и уменьшить количество отходов материалов.

- Гибкая, легкая конструкция: Тонкие, податливые слои делают их пригодными для использования в строительных материалах и портативной электронике. Например, слои перовскита уже были протестированы на оконных и изогнутых поверхностях, что говорит о том, насколько легко они могут адаптироваться к различным уникальным условиям.

- Высокое поглощение и перестраиваемые свойства полосы пропускания: Перовскитовый материал можно легко сконструировать таким образом, чтобы он поглощал широкий диапазон солнечного спектра. Это повышает эффективность работы в различных условиях освещения.

Благодаря этим преимуществам перовскитовые солнечные элементы находятся в центре внимания исследователей, инвесторов и промышленников. Они предлагают такие преимущества, с которыми традиционные технологии солнечных батарей иногда не могут сравниться. Их потенциальное влияние велико, учитывая снижение себестоимости производства и применение элементов в различных сценариях.

Основные проблемы масштабирования перовскитных солнечных элементов

Несмотря на многообещающие преимущества, масштабирование перовскитных солнечных элементов до массового использования на рынке сильно затруднено рядом проблем.

- Стабильность и долговечность: Одна из наиболее обсуждаемых проблем заключается в том, что под воздействием окружающей среды перовскитовые солнечные элементы разрушаются. Присутствие влаги, высоких температур и ультрафиолетового излучения, как правило, сокращает срок их службы. Проблема деградации схожа с той, что происходит со многими чувствительными материалами, которые еще не достигли зрелого уровня производства.

- Токсичность свинца: Большинство перовскитовых солнечных элементов содержат свинец. Это вызывает обеспокоенность окружающей среды и представляет опасность в случае утечки свинца в экосистемы. Следствием использования свинца является повышенная осторожность при производстве, эксплуатации и последующей утилизации элементов.

- Воспроизводимость и однородность: сложно изготовить перовскитные пленки одинакового качества на большой площади. В лабораторных условиях небольшие устройства демонстрируют весьма многообещающие результаты. Однако, когда исследователи пытаются подготовить более крупные однородные пленки, в них обычно обнаруживаются дефекты и отклонения в производительности.

- Производственные проблемы: Интеграция перовскитовых солнечных элементов в существующие производственные линии - задача не из легких. Новые процедуры, которые могут быть использованы в лабораторных условиях, должны быть адаптированы для промышленного производства. Постоянная производительность в больших масштабах остается большой проблемой для производителей.

Эти проблемы указывают на то, почему перовскитные солнечные элементы, несмотря на их многообещающий характер, пока не получили широкого коммерческого применения. Каждый из этих моментов требует серьезных исследований и испытаний, прежде чем технология выйдет за пределы лаборатории.

Технологические и коммерческие барьеры

На пути к массовому внедрению стоят технические и рыночные проблемы.

- Ограниченный прогресс в обеспечении долгосрочной эксплуатационной стабильности: Хотя краткосрочные показатели в лабораториях впечатляют, реальные установки требуют, чтобы солнечные батареи эффективно работали в течение десятилетий. Предстоит проделать большую работу, чтобы обеспечить долгосрочную надежность.

- Проблемы с расширением масштабов обработки растворов для устройств большой площади: Процессы, обеспечивающие высокую эффективность на мелкомасштабном уровне, нелегко масштабировать на гораздо более крупные панели. Этот недостаток является одним из самых серьезных препятствий для компаний, желающих инвестировать в крупномасштабное производство.

- Компромисс между стоимостью крупномасштабного производства и производительностью: производительность должна быть соотнесена со стоимостью производства. На практике повышение стабильности и эффективности может быть связано с более высокими затратами. Это важный баланс, который обеспечит ячейкам конкурентное преимущество перед устоявшимися технологиями.

- Отсутствие инфраструктуры для коммерциализации: Пока не существует полностью разработанной цепочки поставок или производственного комплекса, предназначенного для этих новых солнечных элементов. Этот пробел влияет на темпы интеграции ячеек в устоявшиеся рынки солнечной энергетики. Промышленность и инвесторы ждут более убедительной демонстрации технологической зрелости.

Эти проблемы отражают причину, по которой и наука, и промышленность осторожно подходят к процессу коммерциализации перовскитовых солнечных элементов. Прогресс должен быть постепенным; с каждой проблемой нужно справляться осторожно, чтобы укрепить доверие к технологии.

Потенциальные решения и достижения

Единого ответа на проблемы масштабирования, с которыми сталкиваются перовскитовые солнечные элементы, не существует. Исследователи пытаются найти различные усовершенствования, чтобы преодолеть эти трудности.

Чтобы сделать перовскитовый слой устойчивым к воздействию влаги и температуры, были применены различные методы, такие как инкапсуляция и добавки. Например, защитная пленка предохраняет активные слои от воздействия окружающей среды.

- Нетоксичные альтернативы перовскитам на основе свинца: В настоящее время ведется работа по замене свинца на менее токсичные элементы. На ранних стадиях в качестве альтернативы используется олово или другие металлы. В целом, альтернативы второго поколения должны сохранять высокую эффективность, обеспечивая при этом значительное снижение экологических рисков.

- Достижения в области технологий печати и масштабируемых технологий производства: Новые методы печати и рулонные процессы находятся в стадии совершенствования. Несколько экспериментальных линий показали, что можно печатать устройства большой площади с постоянной производительностью.

- Гибридные перовскиты и тандемные солнечные элементы: Использование перовскитов в сочетании с другими материалами в тандеме может обеспечить стабильность и более высокую производительность. Некоторые прототипы устройств уже демонстрируют, что этого можно достичь с помощью многослойного подхода, сочетающего особенности различных материалов.

Исследования неуклонно продвигаются вперед, и каждое новое исследование делает перовскитные солнечные элементы еще на один шаг ближе к соответствию техническим и коммерческим критериям. Работа ведется со знанием дела и осторожностью, балансируя между инновациями и соображениями безопасности и стоимости. Более подробную информацию о перовскитовых солнечных элементах можно найти в Stanford Advanced Materials (SAM).

Часто задаваемые вопросы

F: В чем главное преимущество перовскитных солнечных элементов?

Они обладают такими преимуществами, как высокая эффективность и низкая стоимость, поэтому находят применение в различных областях.

F: Что является самой большой проблемой при масштабировании их производства?

Обеспечение долгосрочной стабильности и однородности при производстве на больших площадях остается одной из важнейших задач.

F: Существуют ли способы снижения токсичности свинца в перовскитовых ячейках?

В: Да, ведутся исследования нетоксичных альтернатив и методов стабилизации, чтобы справиться с экологическими рисками.

Ссылки:

[1] Mahapatra, Apurba & Prochowicz, Daniel & Tavakoli, Mohammad & Trivedi, Suverna & Kumar, Pawan & Yadav, Pankaj. (2019). Обзор аспектов аддитивного инжиниринга в перовскитовых солнечных элементах. Journal of Materials Chemistry A. 8. 10.1039/C9TA07657C.