Ученые из Стэнфорда изобрели сверхбыстрый способ производства перовскитных солнечных модулей, которые вскоре могут стать коммерческой альтернативой обычным солнечным панелям из кремния
Большинство солнечных элементов сегодня делается из высокоочищенного кремния, который превращает солнечный свет в электричество. К сожалению, процесс очистки кремния до нужной чистоты далек от экологичности и требует огромного количества энергии от электростанций, которые сами выделяют оксиды углерода и прочие парниковые газы.
Стэнфордская лаборатория профессора Рейнхольда Даускардта показала, что солнечные модули из перовскита можно производить намного дешевле и в четыре раза быстрее, чем обычные кремниевые панели.
Тонкопленочные перовскиты – недорогие гибкие солнечные элементы, которые можно производить с минимальными затратами энергии и практически без выбросов CO2.
В 2019 году журнал Science занес перовскиты в свой ежегодный Топ-10 «Прорыв года».
Минералы, известные как перовскиты, имеют природное происхождение, но их можно довольно легко синтезировать даже в промышленных масштабах. Не так давно они привлекли внимание ученых в качестве перспективных материалов для солнечных батарей. Перовскиты дешевы, просты в изготовлении и способны преобразовывать свыше 15% энергии солнечного света в электричество. И это далеко не предел. Одно особенно многообещающее свойство, по мнению Science, состоит в том, что перовскиты можно наслоить поверх кремниевого материала солнечных элементов, и, таким образом, использовать настолько широкий диапазон длин световых волн, который ни один из них не может захватить в одиночку. Главная из проблем применения перовскитов в солнечных элементах, прежде чем они станут обычным явлением – технологические трудности при их массовом производстве и нестабильность из-за малой атмосферостойкости. Но теперь очевидно, что эти проблемы будут устранены.
Вот почему новый процесс производства перовскита, разработанный в Стэнфорде, так интересен, сказал докторант Стэнфордского университета Ник Ролстон. В новом исследовании, опубликованном в номере журнала Joule от 25 ноября 2020 г., он и его коллеги демонстрируют сверхбыстрый способ производства стабильных перовскитных ячеек и сборки из них солнечных модулей, которые могут питать устройства, здания и даже мощные электросети.
Рис. 1. Перовскитный солнечный модуль, изготовленный методом плазменной обработки с быстрым напылением
«Эта работа представляет собой новую веху в производстве перовскита», – заверили в Stanford Engineering при Stanford University. «Это устраняет некоторые из самых серьезных препятствий на пути к производству солнечных модулей стандартного размера, применяемых уже в течение многих лет».
Перовскитные солнечные элементы до сих пор представляли собой тонкие синтетические кристаллические пленки, изготовленные из дешевых, широко распространенных химических веществ, таких как йод, углерод и свинец. Такие тонкопленочные элементы могут быть выращены в лабораториях при температуре, близкой к температуре кипения воды, что очень далеко от печей с температурой 1650 °C, необходимых для очистки промышленного кремния.
Ученые из Stanford Engineering разработали перовскитные элементы, которые преобразуют 25% солнечного света в электричество, т. е. эффективность преобразования сопоставима с кремниевыми панелями. Им также удалось преодолеть технологическое "проклятие", когда по существующим доныне технологиям перовскитные ячейки удавалось сделать размером не больше ногтя на большом пальце, при этом они быстро деградировали и распадались под воздействием тепла и атмосферных условий.
Чтобы решить проблему крупномасштабного производства, команда из Stanford Engineering применила недавно изобретенную запатентованную технологию плазменной обработки с быстрым напылением.
В этой технологии используется роботизированное устройство с двумя соплами для быстрого получения тонких пленок перовскита. Одно сопло распыляет жидкий раствор химических прекурсоров перовскита на оконное стекло, в то время как другое распыляет высокореактивный ионизированный газ, т. е. газовую плазму.
«Обычная технология требует, чтобы раствор перовскита «выпекался» около получаса», - сказал Ролстон. «Наше новшество – использовать плазменный источник высокой энергии для быстрого преобразования жидкого перовскита в тонкопленочный солнечный элемент за один этап».
Используя технологию быстрого распыления, команда из Стэнфорда смогла достичь скорости производства 12 метров перовскитной пленки в минуту – примерно в четыре раза быстрее, чем скорость при производстве обычного кремниевого модуля.
«Мы достигли максимальной производительности среди всех солнечных технологий», – сказал Ролстон. «Вы можете представить себе большие стеклянные панели, помещенные на ролики и непрерывно производящие слои перовскита с невиданной ранее скоростью».
В дополнение к рекордной производительности, перовскитные модули, изготовленные по новой плазменной технологии, достигли эффективности преобразования энергии 18%, при этом общая себестоимость панелей крайне низка.
Команда Стэнфорда подсчитала, что их перовскитные модули могут быть произведены примерно вдесятеро дешевле, чем теперь стоит изготовить обычный модуль из кремния. Это значит, что солнечная панель из перовскита при массовом производстве будет стоить примерно $2,75 за 1 м2.
Обычные кремниевые модули производят электричество по цене около 5 центов за киловатт-час. Если решить проблему недорогого атмосферостойкого покрытия, чтобы конкурировать с кремнием, нужно резко поднять срок службы перовскитных модулей.
«Если мы сможем построить панель из перовскитов, который прослужит 30 лет, мы сможем снизить стоимость электроэнергии до менее 2 центов за киловатт-час», – сказал Ролстон. «По такой цене мы могли бы использовать перовскиты для производства энергии для коммунального сектора. Например, доступная по цене солнечная ферма мощностью 100 МВт стала бы реальностью».
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!
Переглянуто: 5 340
