Группа ученых из НИТУ «МИСиС» показала, как на обычном промышленном оборудовании можно выпускать солнечные элементы, вырабатывающие электричество не только в ясный день, но и при пасмурной погоде или после захода солнца.
По словам исследователей, кристаллы кремния, которые применяются в производстве солнечных батарей, отличаются сложностью и дороговизной изготовления, кроме того, имеют серьезные ограничения в эксплуатации. Как альтернатива кремнию по всему миру активно исследуются перовскитные материалы. На сегодняшний день КПД перовскитных солнечных элементов уже достиг эффективности коммерческих кремниевых в 20-25%.
“Русский” минерал перовскит. Перовскит — это вид минерала, найденный в Уральских горах в 1839 году, и названный в честь Льва Перовского - основателя Русского географического общества. Ископаемый перовскит состоит из ионов кальция, титана и кислорода, описывается химической формулой CaTiO3.
Структура этого минерала оказалась настолько уникальной, что на ее основе из других химических элементов были созданы высокотемпературные сверхпроводящие материалы, ионные проводники, а также некоторые материалы, обладающие свойствами полупроводников. Т.е. для изготовления солнечных элементов используется не сам природный минерал в чистом виде, а его кристаллическая структура ABX3, химические элементы в которой могут различаться. Обычно A - это органический катион, В - неорганический катион (обычно Pb2+ или Ti4+), Х - анион галогена (Cl-, Br-, I-).
Первые разработки в сфере солнечной энергетики из этого материала появились в период с 2006 по 2008 год. Тогда сложно было говорить о прорыве, поскольку КПД таких элементов едва превышал значение 2-3 %. На то, чтобы поднять это значение до коммерчески приемлимого, ушло более 10 лет.
Материал будущего. По мнению многих ученых, которые работают в области фотогальваники, новые перовскитные солнечные батареи имеют большое будущее. В первую очередь за счет их дешевизны (10-15 центов за 1 Вт) по сравнению с кремниевыми элементами (70 центов за 1 Вт). Кроме того, привычные нам солнечные батареи при толщине в 180 микрон поглощают столько же света, сколько перовскит поглотит при толщине всего в 1 микрон. Это значит, что материал можно наносить тонкой плёнкой на почти любую основу. К тому же спектр преобразуемого в электричество света у перовскита шире, чем у кремния.
Основным сдерживающем фактором повсеместного распространения бескремниевых элементов уже сейчас является их низкая стабильность по отношению к влаге и кислороду воздуха. Именно над этими факторами работает большинство исследователей перовскитов.
Панели от «МИСиС». Разработкой солнечных элементов и фотодетекторов на основе перовскитов в НИТУ «МИСиС» занимаются с 2015 года. Результатом работы стала технология, обеспечивающая высокую стабильность и люминесценцию перовскитных слоев, адаптированная к современным промышленным стандартам нанесения.
Для формирования необходимой структуры ученые используют метод химического осаждения из газовой фазы (CVD — chemical vapor deposition) в одностадийном процессе. В лабораторных условиях весь цикл занимает пять часов — от стекла до готового устройства. Технология получила патент и готова к широкомасштабному производству и конкуренции с кремниевыми аналогами. Разработчики привлекают инвестиции и ищут индустриальных партнеров.
«В отличие от кремния перовскиты обеспечивают генерацию при рассеянном свете и низкой освещенности. Перовскитная солнечная батарея работает при любых погодных условиях и даже в помещениях. Это расширяет круг применения, например, для автономного питания стационарных приборов и носимых устройств (часов и смартфонов)», — пояснил сотрудник лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ «МИСиС» Артур Иштеев.
Глобальная цель разработчиков — довести перовскитные устройства до массового производства, ведь для их выпуска даже не понадобится масштабное переоснащение технологических площадок.
