За последние 15 лет перовскитные солнечные элементы привлекли к себе внимание благодаря своему потенциалу при незначительных затратах превосходить по эффективности традиционные кремниевые солнечные элементы.
Солнечная энергетика является одним из наиболее интересных и многообещающих решений глобального энергетического кризиса. За последние 15 лет перовскитные солнечные элементы привлекли к себе внимание благодаря своему потенциалу при минимальных затратах превосходить по эффективности традиционные кремниевые солнечные элементы. Перовскиты с узкой запрещенной энергетической зоной позволяют повысить эффективность устройства до 26,1%.
Кроме того, перовскиты с широкой запрещенной энергетической зоной демонстрируют значительный прогресс в разработке тандемных перовскитных солнечных панелей. Недавно солнечные панели на основе перовскита и кремния достигли рекордного КПД в 34,6%. Универсальность перовскитных материалов значительно способствует развитию технологий солнечной энергетики, а также перспективна в других областях применения оптоэлектроники.
Что такое перовскиты?
Перовскиты – это класс материалов, обладающих особой кристаллической структурой, ABX3. Наиболее распространенные материалы, используемые в перовскитных солнечных элементах, включают:
• Катион А-участка: органические молекулы, такие как метиламмоний или формамидиний. Иногда используются более мелкие неорганические молекулы, например, цезий
• Катион B-участка: атомы тяжелых металлов, таких как Pb или Sn.
• Анион X-участка: ионы галогенидов, такие как йодид, бромид или хлорид
Рис. 1: Кристаллическая структура перовскита (ABX3), содержащая октаэдры галогенида металла (BX), окружающие катион A
В структуре ABX3 крупный катион A-участка стабилизирует решетку, в то время как катион B-участка и анионы X-участка способствуют прямому увеличению запрещенной зоны материала, способствуя эффективному поглощению света. Такая гибкость состава позволяет легко адаптировать перовскиты к конкретным областям применения, обеспечивая регулируемую ширину запрещенной энергетической зоны, высокую эффективность преобразования мощности и возможности малозатратного производства.
Почему перовскитные солнечные элементы так важны?
Перовскиты были впервые введены в состав солнечных элементов в 2009 году, но их первое успешное использование в качестве активного слоя в полностью твердотельных солнечных элементах было отмечено в 2012 году.
С тех пор перовскитные солнечные элементы быстро завоевали популярность в устройствах для преобразования солнечной энергии в электроэнергию благодаря своей способности достигать высокой эффективности, оставаясь при этом экономичными и простыми в обработке. Стремительный рост эффективности до более чем 26% к 2023 году подчеркивает их выдающийся потенциал. Этот прогресс опережает большинство других технологий солнечной энергетики, включая теллурид кадмия (CdTe) и селенид индия-галлия меди (CIGS), которым потребовались десятилетия, чтобы достичь аналогичного уровня производительности.
Основные преимущества перед кремниевыми солнечными элементами
Помимо высокой эффективности по сравнению с кремниевыми солнечными элементами, перовскитные материалы обладают рядом преимуществ, которые делают их более привлекательной и универсальной технологией.
Более низкие производственные затраты
Создание кремниевых солнечных элементов требует энергоемких процессов, таких как выращивание кристаллов при высоких температурах и изготовление сложных пластин. В отличие от этого, перовскитные материалы могут обрабатываться при низких температурах (ниже 150°C) и осаждаться с использованием методов, основанных на растворах, например, нанесение покрытия методом центрифугирования, нанесение покрытия с использованием щелевой экструзионной головки и даже рулонная технология. Эти методы отличаются высокой масштабируемостью и низкой стоимостью, что делает перовскиты более доступными для массового производства. Некоторые воздухочувствительные материалы необходимо хранить в инертной среде, например в специальном стерильном боксе. Однако, даже учитывая это, процесс осаждения эпитаксиального слоя является гораздо менее энергоемким.
Гибкость и легкость
Традиционные кремниевые элементы являются жесткими и относительно тяжелыми, что ограничивает их применение в тех областях, где необходимы гибкость и легкие материалы. Однако перовскитные солнечные элементы могут быть нанесены на гибкие подложки, такие как пластик, что позволяет создавать инновационные приложения, такие как гибкие солнечные панели, портативная электроника и портативные зарядные устройства. Это открывает возможности для интеграции солнечной энергии в различные отрасли промышленности, включая автомобилестроение и аэрокосмическую промышленность.
Возможность настройки и универсальность
Одним из наиболее существенных преимуществ перовскитных материалов является возможность настройки их оптических и электронных свойств. Изменяя состав галогенидов, исследователи могут регулировать ширину запрещенной зоны материала, позволяя ему поглощать (или излучать) свет различной длины волны. Такая настраиваемость делает перовскиты пригодными для широкого спектра применений, помимо солнечных элементов, включая светоизлучающие диоды (LED), фотодетекторы и датчики.
Эффективная работа в условиях низкой освещенности
Было доказано, что перовскитные солнечные элементы исключительно хорошо работают в условиях низкой освещенности, например, при пасмурной погоде или в условиях плохого освещения в помещении. Это делает их идеальными для технологии интернета вещей и другой небольшой электроники, которые требуют минимум энергии, но должны работать непрерывно. Стандартные перовскитные солнечные элементы универсальны и подходят для изготовления гибких солнечных панелей, а также могут использоваться в автономных системах.
Перовскиты с широкой запрещенной зоной: кардинально меняют правила игры
Рис. 2: Узкая запрещенная зона, средняя запрещенная зона и широкая запрещенная зона у перовскитов имеют ширину запрещенной зоны <1,4 эВ, 1,4-1,6 эВ и <1,7 эВ соответственно.
Перовскиты с широкой запрещенной зоной обладают уникальными возможностями, особенно в тандемных солнечных элементах и других нишевых применениях солнечной энергии. Они имеют ширину запрещенной зоны более 1,7 эВ, поэтому будут поглощать только фотоны с более высокой энергией (более короткие длины волн света). Хотя это ограничивает количество света, которое они могут поглощать, материалы с большей шириной запрещенной зоны будут генерировать большее напряжение, увеличивая мощность, которую можно извлечь из каждого поглощенного фотона.
Эта характеристика делает их хорошо подходящими для широкого спектра передовых применений. Перовскитные солнечные элементы с широкой запрещенной энергетической зоной могут достигать высоких значений эффективности преобразования энергии, превышающих 20%.
Применение перовскитов с широкой запрещенной зоной
Перовскиты с широкой запрещенной зоной можно использовать для широкого спектра применений.
Тандемные солнечные элементы
Тандемные солнечные элементы сочетают в себе несколько слоев полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны для улавливания более широкого спектра солнечного света. Фотоэлектрический элемент из перовскита с широкой запрещенной зоной (1,7 эВ) помещается поверх кремниевого или фотоэлектрического устройства с узкой запрещенной зоной (примерно 1,1 эВ). В этом случае:
• Перовскит с широкой запрещенной зоной может поглощать фотоны с более высокой энергией. Это будет генерировать более высокое напряжение из-за увеличенной запрещенной зоны.
• Фотоны с более низкой энергией проходят через верхний слой перовскита с широкой запрещенной зоной и поглощаются нижним слоем.
• Оба эти устройства будут способствовать увеличению общей мощности, вырабатываемой устройством, обеспечивая более высокий КПД, чем каждый слой в отдельности.
Тандемные солнечные элементы из перовскита уже достигли КПД более 40%, демонстрируя впечатляющий потенциал для производства солнечной энергии.
Внутренняя фотоэлектрика
Перовскиты с широкой запрещенной зоной идеально подходят для фотоэлектрических систем внутри помещений, которые должны работать в условиях искусственного освещения, таких как светодиоды или флуоресцентные лампы. Внутренняя фотоэлектрическая система имеет идеальную ширину запрещенной зоны 1,9 эВ, поэтому перовскиты с широкой запрещенной зоной можно легко настроить в соответствии с длинами волн внутреннего освещения. Это, в сочетании с хорошей производительностью в условиях низкой освещенности, делает подобные материалы пригодными для питания небольших устройств и датчиков с низким энергопотреблением. Это может быть особенно важно для замены узлов с батарейным питанием в системах интернета вещей.
Агроэлектричество
В агроэлектричестве солнечные панели устанавливаются над посевами, позволяя солнечному свету достигать растений и одновременно вырабатывать электроэнергию. Полупрозрачные свойства перовскитов с широкой запрещенной зоной делают их подходящими для таких применений. Фотоны с низкой энергией могут достигать сельскохозяйственных культур, в то время как вредные лучи с более высокой энергией поглощаются для получения солнечной энергии. Эта установка может повысить урожайность сельскохозяйственных культур, одновременно генерируя возобновляемую энергию на той же земле, тем самым повышая эффективность землепользования.
Проблемы, связанные с перовскитами и перовскитными солнечными элементами
Несмотря на впечатляющие преимущества перовскитов, необходимо преодолеть несколько существенных трудностей, прежде чем они смогут добиться успеха в широком коммерческом применении.
Стабильность и долговечность
Одним из наиболее важных требований для перовскитных солнечных элементов является долгосрочная стабильность. В отличие от кремниевых элементов, срок службы которых в полевых условиях может составлять 20-25 лет, перовскитные материалы подвержены разрушению под воздействием влаги, кислорода, тепла и ультрафиолетового излучения. Это может значительно снизить эффективность и срок службы солнечного элемента. В лабораторных условиях исследователи преодолевают эту проблему, изготавливая перовскиты в инертной среде.
Для повышения стабильности перовскитов для коммерческого использования изучается несколько стратегий:
• Герметизация: Защитные покрытия могут защитить перовскитные солнечные элементы от воздействия окружающей среды, например, от влаги и кислорода, продлевая срок их службы.
• Пассивация поверхности: Этот метод помогает уменьшить дефекты поверхности, которые способствуют рекомбинационным потерям, что, в свою очередь, повышает стабильность и эффективность.
Токсичность свинца
В настоящее время наиболее эффективные перовскитные солнечные элементы основаны на соединениях на основе свинца. Хотя количество используемого свинца невелико, его присутствие вызывает опасения по поводу окружающей среды и здоровья человека, особенно в отношении утилизации и возможного выщелачивания в окружающую среду. Несмотря на то, что перовскиты на основе олова были изучены в качестве альтернативы свинцу, они до сих пор демонстрировали гораздо меньшую эффективность (в настоящее время около 9%). Поиск нетоксичной и высокоэффективной альтернативы свинцу остается ключевой целью исследований.
Вольт-амперный гистерезис
Многие перовскитные устройства демонстрируют гистерезис, при котором вольт-амперные характеристики элемента изменяются в зависимости от способа измерения. Это может привести к противоречивым показателям производительности, что затрудняет определение истинной эффективности устройства. Считается, что гистерезис вызван миграцией ионов в слое перовскита.
Чтобы учесть это в исследованиях, ученые должны предоставить данные как для прямых, так и для обратных измерений солнечных элементов, чтобы прояснить уровень гистерезиса.
Рис. 3: Зависимость плотности тока от характеристик напряжения перовскитного солнечного элемента, демонстрирующая гистерезис между прямой и обратной развертками
Масштабируемость и производство
Несмотря на то, что перовскиты проще и дешевле изготавливать в небольших лабораторных условиях, переход к промышленному производству сопряжен с трудностями. Поддержание стабильного качества и устранение дефектов при крупномасштабном производстве затруднены, поскольку тонкие пленки перовскита необходимо равномерно наносить на большие площади. Для оптимизации крупномасштабного производства это побудило исследователей изучить такие методы, как нанесение покрытия на пазовую матрицу и вакуумная обработка.
Сегрегация галогенидов
В смешанных галогенидных перовскитах (например, в смесях йода и брома, используемых в материалах с широкой запрещенной зоной) часто наблюдается светоиндуцированная сегрегация галогенидов. Под воздействием света образуются области, богатые йодом и бромидом, которые образуют две узкополосные области, ограничивающие эффективность устройства. Эта проблема особенно остро стоит в перовскитах, в которых используется метиламмоний. Исследователи изучают составы материалов, которые могут уменьшить этот эффект. Например, включение молекул рубидия или цезия может подавлять этот эффект, сохраняя равномерную ширину запрещенной зоны по всему слою перовскита.
Нерадиационные потери
Перовскиты с широкой запрещенной зоной часто страдают от нерадиационных потерь, когда поглощенная энергия теряется в виде тепла, а не преобразуется в электричество или свет. Это ограничивает их эффективность при использовании в фотоэлектрических устройствах.
Высокие температуры изготовления
Для кристаллизации некоторых материалов с широкой запрещенной зоной, таких как халькогенидные перовскиты, например, BaZrS3, требуется обжиг при температурах выше 900°C, что может привести к разрушению других слоев в устройстве. Это усложняет и производственный процесс и делает его дороже. Другие материалы, такие как перовскиты на основе цезия, требуют обжига при температуре более 300°C для получения перовскитной фазы, что, опять же, является дорогостоящим и вредным для других органических слоев устройства. Использование альтернативных исходных продуктов или изменение кинетики кристаллизации с помощью химического осаждения из газовой фазы может привести к таким затратам.
Будущее перовскитных солнечных элементов
Перовскитные солнечные элементы по-прежнему являются относительно новыми технологиями, имеющими значительные возможности для совершенствования. Текущие исследования сосредоточены на нескольких ключевых областях:
1. Стабильность: Дальнейшие действия в области разработки материалов и капсулирования будут иметь решающее значение для повышения стабильности перовскитов в реальных условиях.
2. Не содержащие свинца альтернативы: Разработка нетоксичных перовскитов, не содержащих свинца, останется приоритетной задачей для исследователей, обеспокоенных воздействием технологии на окружающую среду.
3. Коммерческая масштабируемость: Решение проблем расширения производства при сохранении высокого качества и эффективности будет иметь решающее значение для вывода перовскитных солнечных элементов на коммерческий рынок.
Тандемные солнечные элементы, вероятно, первыми получат широкое распространение благодаря своей высокой эффективности и взаимодополняемости с существующей фотоэлектрической инфраструктурой. Поскольку исследования продолжают расширять границы перовскитной технологии, мы можем ожидать, что эти материалы будут играть ключевую роль в солнечной энергетике следующего поколения, внося значительный вклад в экологически устойчивое будущее.
Таким образом, перовскитные солнечные элементы с широкой запрещенной зоной открывают новые возможности в солнечной энергетике. Быстрое повышение эффективности в сочетании с гибкостью, низкими производственными затратами и потенциалом для совместного применения делают их серьезным конкурентом в области солнечной энергетики. Однако, прежде чем они смогут полностью реализовать свой коммерческий потенциал, необходимо преодолеть такие проблемы, как стабильность, токсичность свинца и масштабируемость. Тем не менее, будущее этой быстро развивающейся области технологий солнечной энергетики выглядит радужным.