Перовскітові сонячні батареї: майбутнє відновлюваної енергії?

Перовскіт — це клас матеріалів, які мають кристалічну структуру, подібну до мінералу перовскіту, який вперше був відкритий в Росії наприкінці 19 століття. Було виявлено, що перовскіти демонструють широкий спектр цікавих властивостей, таких як п’єзоелектрика, сегнетоелектрика та напівпровідність, що робить їх корисними для різноманітних застосувань.
Останніми роками перовскіти привернули значну увагу в галузі фотоелектричних пристроїв завдяки своїй високій потужності ефективність перетворення (PCE) і низькі витрати на виробництво. Було показано, що перовскітні сонячні батареї (PSC) досягають PCE понад 25%, що можна порівняти або навіть вище, ніж у традиційних кремнієвих сонячних елементів. Крім того, перовскіти можна легко синтезувати за допомогою методів на основі розчину, що робить їх перспективним кандидатом для великомасштабного виробництва.
Матеріали перовскітів також досліджувалися для інших застосувань, таких як світлодіоди, лазери та датчики. Однак до того, як перовскіти можна буде широко використовувати в цих програмах, ще потрібно вирішити багато проблем, таких як стабільність і масштабованість.
Які переваги використання перовскітних сонячних елементів?
Є кілька переваг використання перовскітних сонячних елементів (PSC) порівняно з традиційними кремнієвими сонячними елементами:
1. Висока ефективність перетворення електроенергії (PCE): було показано, що PSC досягають PCE понад 25%, що порівнянно з традиційними кремнієвими сонячними елементами або навіть вище, ніж у традиційних кремнієвих сонячних елементів.
2. Низькі витрати на виробництво: перовскіти можна легко синтезувати за допомогою методів, заснованих на розчині, що робить їх перспективним кандидатом для великомасштабного виробництва.
3. Гнучкі підкладки: PSC можна виготовляти на гнучких підкладках, що дозволяє створювати гнучкі та легкі сонячні панелі.
4. Висока напруга холостого ходу (Voc): було показано, що PSC досягають високих значень Voc, що є корисним для підвищення ефективності сонячної батареї.
5. Деградація, спричинена слабким світлом: було виявлено, що PSC менш сприйнятливі до деградації, спричиненої світлом, порівняно з традиційними кремнієвими сонячними елементами.
6. Висока мобільність носіїв заряду: перовскіти мають високу рухливість носіїв заряду, що забезпечує швидкий транспорт електронів і високу ефективність перетворення енергії.
7. Виготовлення з можливістю масштабування: перовскітні матеріали можна легко синтезувати за допомогою методів на основі розчину, що робить їх перспективним кандидатом для великомасштабного виробництва.
8. Висока термічна стабільність: встановлено, що PSC стабільні за високих температур, що важливо для зовнішнього застосування.
9. Низька вартість сировини. Сировина, яка використовується для виготовлення перовскітів, є відносно недорогою та достатньою, що може призвести до зниження витрат на виробництво.
10. Потенціал для тандемних сонячних елементів: PSC можна легко інтегрувати в тандемні сонячні елементи, що може призвести до ще більшої ефективності та кращої продуктивності.
Які проблеми використання перовскітних сонячних елементів?
Незважаючи на численні переваги використання перовскітних сонячних елементів (PSC), ще є кілька проблем, які необхідно вирішити, перш ніж їх можна буде широко прийняти:
1. Стабільність: PSC все ще знаходяться на ранніх стадіях розвитку, і їхня стабільність під час тривалого впливу світла та тепла все ще викликає занепокоєння.
2. Масштабованість. Незважаючи на те, що перовскіти можна легко синтезувати за допомогою методів, заснованих на розчині, масштабування виробничого процесу для задоволення вимог великомасштабного виробництва сонячних елементів все ще є проблемою.
3. Однорідність матеріалу: однорідність перовскітного матеріалу має вирішальне значення для високої ефективності та стабільності, але досягнення однорідності може бути складним завданням.
4. Проблеми між поверхнею: межі розділу між шаром перовскіту та іншими шарами в сонячному елементі можуть бути схильні до дефектів і рекомбінації, що може призвести до втрати ефективності.
5. Гігроскопічність: перовскіти чутливі до вологи, що може призвести до деградації та зниження стабільності.
6. Токсичність: деякі перовскітові матеріали виявилися токсичними, що може становити ризик для навколишнього середовища та здоров’я під час виробництва та утилізації.
7. Висока вартість сировини. Незважаючи на те, що сировина, яка використовується для виготовлення перовскітів, відносно недорога, висока вартість інших компонентів, таких як електроди та підкладки, може зробити PSC дорожчими, ніж традиційні сонячні елементи.
8. Обмежене розуміння фізики: досі існує обмежене розуміння фізики перовскітних сонячних елементів, що ускладнює оптимізацію їх продуктивності та стабільності.
9. Труднощі в досягненні однорідності: однорідність перовскітного матеріалу має вирішальне значення для високої ефективності та стабільності, але досягнення однорідності може бути складним завданням.
10. Обмежений термін зберігання: PSC мають обмежений термін зберігання через їхню чутливість до вологи та світла, що може призвести до деградації та зниження стабільності.
Які потенційні застосування перовскітних сонячних елементів?
Перовскітні сонячні елементи (PSC) мають потенціал для революції в сонячної енергетики завдяки високій ефективності перетворення електроенергії (PCE), низьким виробничим витратам і гнучким підкладкам. Деякі потенційні застосування PSC включають:
1. Сонячні вікна: PSC можна інтегрувати в сонячні вікна, які можуть стати новим джерелом відновлюваної енергії для будівель і будинків.
2. Інтегровані в будівлі фотовольтаїки (BIPV): PSC можна легко інтегрувати у фасади будівель, забезпечуючи нове джерело відновлюваної енергії для комерційних і житлових будівель.
3. Носима електроніка: PSC можна використовувати для живлення переносної електроніки, наприклад, розумних годинників і фітнес-трекерів.
4. Застосування в аерокосмічній галузі: PSC можна використовувати для живлення супутникових і авіаційних систем, забезпечуючи надійне джерело відновлюваної енергії у віддалених місцях.
5. Зберігання енергії: PSC можна використовувати для зберігання енергії у формі електрики, яку можна використовувати для живлення будинків і підприємств у періоди слабкого сонячного світла або коли мережа не працює.
6. Медичні пристрої: PSC можна використовувати для живлення медичних пристроїв, таких як кардіостимулятори та інсулінові помпи, забезпечуючи надійне джерело відновлюваної енергії для пацієнтів.
7. Застосування в сільському господарстві: PSC можна використовувати для живлення сільськогосподарських систем, таких як іригаційні системи та теплиці, забезпечуючи надійне джерело відновлюваної енергії для фермерів.
8. Допомога при стихійних лихах: PSC можуть використовуватися для забезпечення аварійного живлення під час стихійних лих або збоїв у електромережі, забезпечуючи надійне джерело відновлюваної енергії для перших служб реагування та працівників служби допомоги.
9. Дослідження космосу: PSC можна використовувати для живлення космічних кораблів та інших космічних систем, забезпечуючи надійне джерело відновлюваної енергії для місій у глибокому космосі.
10. Моніторинг навколишнього середовища: PSC можна використовувати для живлення систем моніторингу навколишнього середовища, таких як датчики якості повітря та якості води, забезпечуючи надійне джерело відновлюваної енергії для програм дистанційного моніторингу.