Ученые из Южной Кореи разработали технологию производства перовскитных солнечных элементов, которая помогает им сохранять высокую эффективность даже при длительном воздействии экстремальной температуры и влажности. После 1000 часов испытаний при температуре 85 °C и относительной влажности 85% устройства сохранили 95% первоначальной эффективности преобразования солнечного света в электричество.
Результат может приблизить перовскитные солнечные батареи к массовому применению. Они потенциально дешевле традиционных кремниевых панелей, легче и могут выпускаться в гибком исполнении. Однако до сих пор их широкому распространению мешала одна серьезная проблема — недостаточная долговечность.
Почему перовскитным солнечным элементам трудно конкурировать с кремниевыми?
Перовскитные солнечные элементы — это тонкопленочные фотоэлектрические устройства, в которых свет преобразуется в электричество с помощью материалов с особой кристаллической структурой, называемых перовскитами.
Эта технология привлекает исследователей сочетанием высокой эффективности и потенциально невысокой стоимости производства. Перовскитные слои можно наносить сравнительно простыми методами, а сами устройства получаются тонкими и легкими. Благодаря этому их можно использовать не только в обычных солнечных панелях, но и в гибких модулях, а также в конструкциях, где тяжелые жесткие панели неудобны.
У кремниевых солнечных панелей уже есть многолетний опыт эксплуатации: их типичный расчетный срок службы составляет 25–30 лет. Перовскитные элементы пока заметно уступают им по долговечности. В статье Interesting Engineering указывается ориентировочный срок службы таких устройств от двух до десяти лет, хотя реальные показатели зависят от конструкции и условий эксплуатации.
Главные враги перовскитов — высокая температура и влага. Они ускоряют химические и структурные изменения внутри тонких пленок, из-за чего солнечный элемент постепенно теряет способность эффективно вырабатывать электричество.
Особенно уязвимым местом оказалась транспортная прослойка, через которую в устройстве перемещаются положительные носители заряда — так называемые дырки. В традиционных конструкциях для улучшения ее электрических характеристик применяют соли лития и различные добавки. Они помогают повысить эффективность, но одновременно могут ускорять разрушение материала.
При нагревании некоторые добавки испаряются, оставляя микроскопические дефекты и пустоты в пленке. Кроме того, ионы лития способны перемещаться внутри структуры элемента, нарушая ее стабильность. В результате материал постепенно деградирует, а производительность солнечной батареи снижается.
Как работает новая технология?
Исследователи из Корейского института энергетических исследований (KIER) предложили изменить сам процесс изготовления транспортного слоя, вместо того чтобы пытаться защитить уже готовый элемент от последствий его химической нестабильности.
Работу возглавил исследователь института Седжин Ан (SeJin Ahn). В проекте также участвовала группа ученых под руководством Дон-Сока Кима (Dong-Seok Kim) из Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST).
Разработанный метод получил название post-catalytic reaction filtering extraction process — процесс фильтрационного извлечения после каталитической реакции. Его основная задача — удалить из исходного раствора нежелательные ионы лития и отказаться от добавок, которые ухудшают термическую стабильность материала.
Для этого ученые использовали катализатор на основе оксида никеля (NiOₓ). При взаимодействии с исходным раствором его поверхность изменяет свойства таким образом, что начинает эффективно связывать ионы лития.
После реакции частицы оксида никеля вместе с присоединенными к ним ионами удаляют физической фильтрацией. Поскольку частицы катализатора достаточно крупные, фильтр задерживает их, тогда как очищенный раствор проходит дальше.
В результате исследователи получают состав, из которого удалены нежелательные добавки, остаточные ионы лития и сам катализатор. Из такого раствора можно сформировать транспортный слой с меньшим количеством дефектов.
Преимущество метода заключается в том, что он позволяет устранить одну из причин преждевременного разрушения солнечных элементов, не жертвуя их способностью преобразовывать свет в электричество.
Испытание жарой и влажностью: что показали результаты?
Чтобы оценить эффективность разработки, исследователи изготовили солнечные элементы с использованием нового процесса и сравнили их с устройствами, произведенными традиционным способом.
Результаты оказались обнадеживающими. Эффективность преобразования солнечной энергии у новых элементов достигла 25,24%. Для сравнения, у контрольных образцов с традиционными добавками этот показатель составил 25,21%. Иными словами, отказ от привычных компонентов не только не ухудшил характеристики устройств, но и позволил получить немного более высокий результат.
Однако наиболее важным достижением стала устойчивость к неблагоприятным условиям. Во время испытаний при температуре 85 °C и относительной влажности 85% новые солнечные элементы после 1000 часов сохранили 95% первоначальной эффективности.
Для перовскитной технологии это существенный результат: исследователям удалось одновременно добиться высокой производительности и повысить устойчивость материала к воздействию окружающей среды.
При этом важно учитывать, что 1000 часов лабораторных испытаний не означают автоматически определенный срок службы в реальных условиях. Чтобы установить, сколько лет такие элементы смогут проработать на крыше здания или солнечной электростанции, потребуются дополнительные исследования и длительные испытания готовых модулей.
Что это значит для солнечной энергетики?
Главная ценность разработки заключается в возможности решить одну из ключевых проблем перовскитных солнечных батарей — их склонность к деградации при нагревании и воздействии влаги.
Если технологию удастся масштабировать для промышленного производства, перовскиты смогут стать более серьезным конкурентом кремниевых солнечных элементов. Их потенциальные преимущества — меньшая масса, возможность изготовления гибких конструкций и перспективы удешевления производства.
Еще одно интересное направление — тандемные солнечные элементы, в которых перовскитный слой объединяют с кремниевым. Такие устройства используют несколько слоев для поглощения разных участков солнечного спектра. Это позволяет эффективнее использовать падающий свет и потенциально превысить пределы производительности, доступные обычным кремниевым элементам.
Но для коммерческого применения тандемным конструкциям тоже необходима высокая долговечность. Новый способ обработки материалов может помочь сделать такие устройства устойчивее к нагреванию и другим неблагоприятным факторам.
По словам Седжина Ана, решение проблемы ограниченного срока службы может стать важным шагом к коммерциализации перовскитных и тандемных солнечных элементов.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Advanced Science.
Таким образом, работа южнокорейских ученых демонстрирует перспективный подход к созданию более долговечных солнечных батарей. Теперь предстоит проверить, насколько хорошо технология проявит себя при масштабировании производства и длительной эксплуатации. Если дальнейшие испытания подтвердят лабораторные результаты, перовскитные элементы смогут приблизиться к практическому применению в солнечной энергетике.
