Как улучшить солнечные панели? Ученые ищут способ: кремний против перовскитов

Привлекательность солнечной энергетики объясняется использованием в ней доступного и неисчерпаемого ресурса (излучения нашего светила) и отсутствием вредных отходов. Однако она имеет и свои недостатки, в числе которых – высокая сложность и дороговизна производства фотоэлементов. В настоящее время в разных странах ведется поиск и разработка технологий, которые обеспечили бы прорыв в повышении эффективности солнечных панелей при как можно более низких затратах на их создание.

Кремний в солнечных панелях

В современных коммерческих солнечных панелях широко используется кристаллический кремний. Средняя панель преобразует в электричество до 19 % энергии солнечного света. Максимальная эффективность на практике доведена до величины около 25 %, что уже довольно близко к пределу, который составляет 33,7 % для батарей, созданных из однослойных элементов. Это граничное значение получило наименование предела Шокли-Квиссера.

Предел можно преодолеть, применяя линзы для фокусировки света на панели. Однако этот дорогостоящий метод в основном используется при изготовлении солнечных батарей для спутников.

Другой способ - создание так называемых многопереходных фотоэлектрических элементов, состоящих из нескольких слоев различных материалов. На многослойных панелях можно получить КПД до 47 %. Однако эта технология имеет тот же недостаток – высокую стоимость, связанную с получением чистых материалов.

Материалы с перовскитовой структурой

Гораздо дешевле обходятся фотоэлементы на основе искусственно получаемых веществ, обладающих строением, сходным с кристаллической решеткой минерала перовскита. По наименованию минерала (химически он представляет собой титанат кальция) получили название и структурно подобные ему материалы, и базирующиеся на них технологии.

Ранее перовскитовые батареи уступали кремниевым по эффективности: она не превышала 12 %. Однако оптимизация их кристаллической структуры позволила поднять этот показатель более чем на десять процентов. Кроме того, перовскитовые панели работают лучше, чем кремниевые, при низкой интенсивности освещения.

Большим преимуществом перовскитовых элементов стала возможность их изготовления в виде тончайших пленок около 300 нанометров, получаемых из раствора. Эта технология получила название капельной печати. С ее помощью пленку, преобразующую излучение Солнца в электроэнергию, можно наносить, как спрей, на любую поверхность.

Недостатком перовскитов долгое время была токсичность входящих в их состав компонентов, таких как свинец. Но и в решении этой проблемы уже достигнуты успехи: получены перовскитовые соединения, не содержащие опасного металла.

За кем окажется победа?

Так можно ли считать, что перовскиты побеждают кремний по всем статьям? Отнюдь: весьма многообещающие результаты сулит объединение этих двух подходов путем совмещения кремниевой панели с перовскитовой пленкой.

Дело в том, что кремний лучше поглощает солнечное излучение более длинных красных волн, а перовскиты – более коротковолновые зеленые и голубые лучи. Объединив эти материалы в одной батарее, можно добиться расширения диапазона преобразуемого излучения. При этом нанесение пленки не потребует значительных изменений в налаженном производственном процессе.

Говорить о безоговорочном преимуществе перовскитовых технологий, конечно, пока рано. Очевидно, они будут сосуществовать и конкурировать с кремниевыми панелями еще долго, сочетаясь или находя применение в различных сферах солнечной энергетики.