В мире солнечной энергетики назревает прорыв. Кремниевые панели, десятилетиями доминировавшие на рынке, приблизились к своему теоретическому пределу эффективности (около 29%). Чтобы перейти этот барьер, ученые обратились к новому чудо-материалу – перовскиту. Перовскитные солнечные элементы в лабораториях уже превзошли эффективность лучших кремниевых панелей, открывая путь к более мощным и доступным источникам энергии. В 2024 году компания Oxford PV впервые вывела эту технологию из стен лабораторий на коммерческий рынок, запустив производство тандемных перовскит-кремниевых модулей с беспрецедентными показателями. Прежде чем перейти к деталям этого достижения, разберёмся, что собой представляет материал перовскит и почему вокруг него столько надежд.
Что такое перовскит?
Перовскит – это класс кристаллических материалов с общей формулой ABX₃, названный в честь русского минералога Льва Перовского. Изначально перовскитом называли природный минерал кальций-титан-оксид CaTiO₃, обнаруженный в 1839 году на Урале. Теперь же это название применяется ко многим синтетическим соединениям с такой же структурой решётки. Особенность перовскитной структуры – чередование катионов и анионов в кубической решётке, образующей идеально упорядоченный кристалл. В современных солнечных элементах используют гибридные органо-неорганические перовскиты – например, соединения свинца и галогенов с органическими катионами. Эти тонкоплёночные материалы способны эффективно поглощать солнечный свет и превращать его в электричество.
Такая структура придаёт материалу уникальные фотонные свойства – высокий коэффициент поглощения света и подвижность носителей заряда, что крайне важно для солнечных элементов. Впервые перовскитные солнечные элементы привлекли внимание около 2009 года, когда лабораторные образцы показали эффективность всего ~3%. Но уже через несколько лет их эффективность начала стремительно расти.
Преимущества перовскитовых солнечных элементов
Перовскит произвёл революцию в фотогальванике благодаря сочетанию свойств, позволяющих преодолеть ограничения традиционного кремния. Рассмотрим ключевые особенности и преимущества перовскитовых солнечных элементов:
- Быстрый рост эффективности. Перовскитовые элементы демонстрируют беспрецедентный прогресс КПД – от ~3% в 2009 году до более 25% сегодня, а в лабораторных tandem-конструкциях – свыше 33%. По этому показателю они уже обошли предел обычного кремния (~29%), открывая потенциал для ещё более высоких значений.
- Интенсивное поглощение света. Кристаллическая структура перовскита обеспечивает отличное поглощение солнечного излучения и эффективный перенос заряда. Тонкий слой перовскитной плёнки, толщиной всего несколько сотен нанометров, способен впитать большую часть видимого спектра. Перовскиты поглощают более широкий диапазон волн света, чем кремний, и эффективно превращают их в электричество. Это означает, что даже тонкая перовскитная батарея может генерировать значительный ток.
- Настраиваемый энергетический диапазон. Химический состав перовскита можно варьировать, настраивая ширину запрещённой зоны под нужный спектр. Проще говоря, изменяя соотношение компонентов, учёные получают материалы, оптимально поглощающие разные части солнечного света. Эта гибкость позволяет создавать многослойные “тандемы” – комбинируя, например, перовскит с кремнием, чтобы каждый слой улавливал свой диапазон спектра.
- Простое и дешёвое производство. В отличие от кремниевых пластин, требующих высоких температур и сложной металлургии, перовскитные солнечные элементы можно изготавливать с помощью жидких растворов и методов печати. Перовскитовые чернила наносятся на подложку напылением, печатью или другим низкотемпературным методом, затем кристаллизуются в тонкую плёнку. Такие технологии потенциально дешевле кремниевых и легко масштабируются на большие площади, что важно для массового производства солнечных модулей.
- Лёгкость и гибкость. Перовскитные фотоэлементы могут быть нанесены на гибкие плёнки или даже ткани, они получаются очень тонкими и лёгкими. Это открывает путь к солнце-панелям нового формата – гибким, прозрачным или окрашенным. Например, уже разрабатываются перовскитные покрытия для окон или портативной электроники, где классический кремний неприменим.
Несмотря на впечатляющие достоинства, у перовскитных элементов есть и слабое место – стабильность. Перовскиты чувствительны к внешним воздействиям: влага, кислород и ультрафиолет способны со временем разрушать кристаллическую структуру, снижая эффективность. Без дополнительных мер необработанная перовскитная плёнка может деградировать в течение нескольких месяцев. Однако учёные активно работают над решением этой проблемы. Применяются защитные покрытия и многослойные барьеры, предотвращающие контакт перовскита с водой и воздухом. Улучшение состава самого материала также повышает его устойчивость. Уже достигнут значительный прогресс: экспериментальные модули с перовскитом выдерживают тысячи часов непрерывного облучения и тепла. Цель инженеров – обеспечить срок службы новых панелей не менее 25–30 лет, сопоставимый с кремниевыми модулями. И хотя ещё предстоит доказать долговечность в реальных условиях, результаты испытаний обнадёживают.
Перовскит + кремний для рекордного КПД
Идея тандемного солнечного элемента заключается в объединении двух разных фотопоглощающих материалов в один многослойный элемент, чтобы уловить более широкий спектр солнечного света. В классическом варианте верхний слой из перовскита поглощает высокоэнергетичные синие и зеленые лучи, а нижний кремниевый слой – оставшуюся часть спектра (желто-красные и инфракрасные лучи). Благодаря этому совместному покрытию спектра удаётся снизить потери: фотоны, которые проскальзывают через верхний слой, поглощаются нижним, а самые энергонасыщенные лучи перовскит преобразует более эффективно, чем кремний (в кремнии их энергия отчасти тратится впустую на нагрев). Такой подход позволяет превзойти фундаментальный предел эффективности одиночного p-n перехода.
Важно понимать, что кремниевые батареи близки к своему максимуму – около 29% (так называемый предел Шокли–Квайссера для одного перехода). Тандем “перовскит+кремний” теоретически может достигать свыше 40% КПД. Для сравнения, такие показатели раньше были достижимы лишь в дорогих многослойных элементах на основе арсенида галлия и других III–V полупроводников, которые применяются в космических солнечных батареях. Теперь же подобные значения становятся реальными для массовой кремниевой энергетики. В 2022–2023 годах учёные драматично наращивали рекорды: немецкий HZB первым преодолел рубеж 32,5%, затем команды KAUST (Саудовская Аравия) и китайской LONGi довели эффективность tandem-ячеек до 33–34%. К концу 2023 года лабораторный эталон достиг ~33,9%, а в 2024-м уже перевалил за 34,5%. Эти достижения подтверждают огромный потенциал технологии. Хотя столь высокие КПД пока получены на небольших образцах (~1 см²), они демонстрируют, что комбинированный перовскит-кремниевый подход действительно работает.
Однако, создание больших промышленных модулей с рекордным КПД сопряжено с вызовами. Необходимо равномерно нанести перовскитный слой на крупные кремниевые пластины с текстурированной поверхностью, избежать дефектов и обеспечить долгосрочную стабильность каждого слоя. Лабораторные методы подходят для маленьких ячеек, но при масштабировании используются более сложные технологии напыления, печати или их гибриды. Инженеры по всему миру сейчас активно решают эти задачи, переходя от лабораторных образцов к полноценным солнечным панелям. И уже есть первые компании, кто сумел наладить выпуск таких панелей.
Oxford PV и первые коммерческие тандемные модули
Британско-германская компания Oxford PV стала пионером коммерциализации перовскит-кремниевой технологии. Основанная учёными из Оксфордского университета, она с 2014 года разрабатывала конструкцию двухслойной солнечной ячейки, где поверх обычного кремниевого элемента наносится перовскитный фотопоглощающий слой. Спустя десятилетие, в 2024 году Oxford PV объявила о запуске промышленного производства первых в мире коммерческих тандемных модулей. Эти панели внешне мало отличаются от классических кремниевых, но внутри содержат дополнительный тонкий перовскитный слой, невидимый глазом. Каждая такая панель состоит из 72 кремниевых ячеек стандартного размера, покрытых перовскитом.
Характеристики новых модулей впечатляют. Серийный 72-элементный тандемный модуль Oxford PV достигает эффективности около 24,5%, что значительно выше средних 20% у обычных кремниевых панелей. В пересчёте на выход энергии это даёт до 20% больше электроэнергии с той же площади, по сравнению с традиционными кремниевыми модулями аналогичного размера. Например, если стандартная кремниевая панель (~2 м²) выдаёт условно 400–450 Вт пиковой мощности, то тандемная панель Oxford PV той же площади способна дать порядка 500–540 Вт. Таким образом, установка из тандемных модулей сможет генерировать пятую часть дополнительной энергии без расширения площадей солнечной фермы. Для крупных солнечных электростанций это означает существенное снижение стоимости выработки: больше киловатт-часов с каждого квадратного метра земли.
Производство тандемных панелей налажено на фабрике Oxford PV в Бранденбурге (Германия). Первая партия модулей в 2024 году отправлена заказчикам в США, что стало важной вехой – первая коммерческая продажа перовскит-содержащих панелей. Ранее в том же году на выставке Intersolar Europe компания представила прототип 60-ячейкового (жилого формата) модуля с рекордным КПД 26,9%. Это самый эффективный солнечный модуль такого размера на сегодня. Oxford PV заявляет, что видит ясный путь к повышению эффективности своих панелей свыше 30% в ближайшие годы. Фактически, уже продемонстрированный уровень ~25–27% – лишь начало. Команда инженеров планирует расширить линейку продуктов: от больших решений для электростанций до более доступных домашних панелей, сохранив при этом высокую эффективность. В планах – нарастить производство до масштабов нескольких гигаватт в год, что позволит снизить себестоимость и удовлетворить растущий спрос.
Руководство Oxford PV называет появление перовскитных панелей «значительным прорывом для энергетики». Ещё недавно технологии с такой высокой эффективностью были слишком дорогими для массового применения, а теперь они становятся экономически жизнеспособными. Тандемные модули показывают, каким будет будущее солнечной энергетики: более мощные панели, генерирующие больше энергии при тех же затратах. По мере совершенствования производственного процесса и материалов мы стоим на пороге новой эры, где солнечные электростанции и крыши домов смогут выдавать на 20–30% больше энергии просто за счёт замены панелей на перовскит-кремниевые. Это ускорит переход к чистой энергии – ведь с каждым таким техническим шагом солнечная энергия становится эффективнее и дешевле. Уже сегодня благодаря Oxford PV фантастическая ранее эффективность >33% выходит из лаборатории на реальные объекты, приближая нас к более зелёному и устойчивому энергетическому будущему.