Сонячні батареї з перовськіта на 3d принтері можна буде друкувати, як газети

200 views

Зупинимося на історії, властивостях та перевагах перовськітних панелей більш детально.

Історія виявлення та використання перовськіта

У природі перовськіти, або титанати кальцію, зустрічаються практично всюди. Ці непоказні камінці вперше знайшов німецький фахівець з мінералогії Густав Розе. Оскільки поклади були виявлені на Уралі в 1839 році, мінерал назвали ім’ям видатного графа Лева Перовського – героя війни з Наполеоном, власника великої колекції рідкісних каменів, російського геолога, міністра та улюбленця імператора Миколи I.

Майже 100 років перовськітне використовувавсяв промисловому виробництві, а в сучасну епоху застосовувався лишев якості діелектрика для керамічних конденсаторів. Його здатність поглинати та перетворювати електромагнітне випромінювання помітили зовсім нещодавно, причому ефективність виявилася неймовірно високою.

Переваги перовськіта перед кремнієм

Порівняльні характеристики з іншими популярними матеріалами у титанату кальцію такі:

  • Для поглинання необхідного числа фотонів кремнієва комірка комплектується шаром цього напівпровідника товщиною 180 мікронів. Завдяки великому поглинанню та ширині спектра захоплення, ту ж кількість енергії забезпечить перовськітоваплівка товщиною всього 1 мікрон.

  • Собівартість виробництва панелі на базі Mono-Si сягає близько $0,70-0,75 за 1 Вт. Для CaTiO3 діапазон витрат становить $0,10-0,15 за 1 Вт, що в 5-7 разів менше.

  • Перовськіт поступається за питомою ефективністю рідкоземельним елементам, але завдякимізерній вартості та відсутності в складі шкідливих речовин,йому незабаром не буде рівних в масовому виробництві.

Вченим та інженерам залишається лише усунути недоліки технологічних процесів, пов’язаних з низькою хімічною стійкістю CaTiO3 до електролітичного середовища.

Дослідження з оцінки ефективності

Першочерговою проблемою перовськітнихкомірок є складність підвищення ККД перетворення поглинутої сонячної енергії в електричний струм. Цей недолік пов’язаний з неможливістю використовувати рідкий електроліт. Перехід на твердий склад відразу подвоїв початкову ефективність в 3,5%, а нові технології обробки кристалів підвищили ККД до 15%. До 2022-2023 року фахівці очікують зростання до 25%, над чим зараз працюють відразу кілька колективів під керівництвом:

  • Г.Сайнта, Ф.Дешлера (Оксфорд, США);

  • М. Гретцеля (Лозанна, Швейцарія).

  • Сук Сан Іля (Сеул, Південна Корея);

  • М. Гріна (Мельбурн, Австралія) та ін.

Панелі можна буде друкувати, як газети

Далі за всіх на сьогодні просунулася група корейців. Професор Іль, шляхом введення в структуру мінералу невеликих кількостей йодидів, формамідинівтаметиламоніїв, вже вийшов на показник 18%, перетворивши робочий матеріал в готову для друку 3D-принтером суміш.

Технічні проблеми ще залишаються – наприклад, незручний максимальний розмір осередків всього 10 мм2 – але всі вони вирішуються. Майбутнє виготовлення елементів планується здійснювати за давно відпрацьованою технологією пошарового напилення, де перовськітнимбуде лише один з них, а решта – захисними, струмопровідними, противідбивальнимта ін.

Важливо! В майбутньому всього одна людина зможе напилювати сонячні покриття на основіперовськітуна будь-яку поверхнюза допомогою спеціального пульверизатора. За розрахунками, це здешевить технологію ще в 7-8 разів.

Додаткові переваги перовськіта

Сьогодні принцип роботи сонячних батарей для дому будь-якого типу полягає в разовому поглинанні сонячних фотонів таїх перетворенні в електричний струм. Оскільки напівпровідниковий p/n перехід не здійснюється з ефективністю 100%, частина енергії безповоротно втрачається.

З перовськітовимиплівками це не так. Частина заряду, яка не пройшла через провідний шар, знову повертається у вигляді фотонів назад. Створення конструкції, котра виявиться здатною поглинути і ці фотони, посприяє ще більшому зросту ККД. Подібний експеримент здійснила група Ф.Дешлера за допомогою лазера, висвітлюючи найтонший зріз CaTiO3 товщиною 0,5 мкм.

Завдяки великим можливостям перовськітне лише здолає кремнієвих конкурентів, а й прискорить повну відмову від двигунів внутрішнього згорання.

Вартість запровадження на ринку надрукованих батарей

Згідно з даними агентства Блумберг, щорічно прямі інвестиції в сонячну енергетику становлять $ 200-300 млрд. Впровадження на світовому ринку нової перовськітної технології коштує в 10 тисяч разів дешевше. Однак проблема полягає в тому, що всі, хто зараз отримує прибуток на старих батареях, не замінюватимуть їх новими до самого зношення.

Тому спільна команда фахівців Міненергетіки США та аналогічної структури Сінгапуру дійшла висновку, що головнимнапрямкомзапровадження панелей з перовськітамає стати «Інтернет речей» та нові «розумні будинки» на енергетичному самозабезпеченні. А промислове виробництво великих партій для СЕС надійде пізніше, приблизно до 2030 року.

Захисне покриття для панелей з перовськіта

Вагомий внесок у поліпшення батарей не тільки майбутнього, а й сьогодення, вніс колектив інженерів-фізиків MIT на початку 2020 року.

Для зниження відбивної здатності текстурованого покриття комірокзазвичайвикористовують оксид індію-олова (IPbO). Недолік таких плівок полягає в їх крихкості ташкідливості компонентів, що вимагає додаткових витрат на стадії утилізації. Массачусетські технологи створили принципово нове та в 10 разів ефективніше полімерне покриття – PEDOT.

Демонстрація можливостей покриття на комірках з перовськітадовела відповідне зростання їх продуктивності та механічної стійкості.