Достижения в перовскитных солнечных элементах для распределенных энергетических приложений

Понимание перовскитных солнечных элементов

Перовскитные солнечные элементы представляют собой сдвиг парадигмы в фотоэлектрической технологии. В отличие от обычных кремниевых солнечных элементов, которые доминировали на рынке в течение десятилетий, перовскитные устройства используют класс материалов со специфической кристаллической структурой — той же структурой, что и минеральный перовскит (оксид титана кальция). Общая формула ABX3, где A обычно представляет собой органический катион, такой как метиламмоний, B представляет собой свинец или олово, а X представляет собой галогенидный ион, такой как йод или бром.

Ключевое преимущество заключается в материале & #8217;s исключительные оптоэлектронные свойства : высокий коэффициент поглощения, длинные длины диффузии носителей и настраиваемый бандгап. Это означает, что тонкая пленка толщиной всего несколько сотен нанометров может поглощать столько же света, сколько кремниевая пластина толщиной в сотни микрометров. Результатом является ячейка, которая является легкой, гибкой и потенциально намного дешевле в производстве.

Что делает перовскиты уникальными?

Три характеристики, которые устанавливают перовскитные солнечные элементы, помимо традиционных технологий:

• Высокая эффективность с минимальным материалом — Эффективность лаборатории выросла с менее чем 4% в 2009 году до более чем 25% сегодня, конкурируя с монокристаллическим кремнием.
• Производимость растворения — Материалы-предшественники могут быть растворены в растворителе и осаждены с использованием таких методов, как прядильное покрытие, ленивое покрытие или струйная печать. Это исключает энергоемкий рост слитка и распилование пластин, необходимое для кремния.
• Настраиваемый бандгап — Изменяя галогенидную композицию, бандгап можно регулировать по всему видимому спектру, позволяя тандемным устройствам захватывать более широкий диапазон солнечного света.

Эволюция от лаборатории к фабуле

Быстрый рост эффективности перовскита сопровождался растущим коммерческим интересом. Стартапы и известные производители инвестируют в пилотные линии и производство на ранней стадии. Путь от лабораторных устройств (обычно 0,1 см2) до коммерческих модулей (более 100 см2) потребовал решения фундаментальных проблем в единообразии покрытий, контроле дефектов и инкапсуляции. Прогресс за последние пять лет был значительным, и несколько компаний теперь предлагают небольшие модули для тестирования и нишевых приложений.

Последние технологические прорывы

Последние два года принесли волну инноваций, которые устраняют исторические слабости перовскитных солнечных элементов: стабильность в реальных условиях, эффективность в масштабе и экологическая безопасность. Эти прорывы меняют перспективы применения распределенной энергии.

Инженерия композиции для стабильности

Ранние перовскитные составы страдали от быстрой деградации при воздействии влаги, кислорода, тепла или непрерывного солнечного света. Исследователи ответили разработкой сложных многокационных и многогалогенидных композиций. Смешивание формамидиния, цезия и рубидия с метиламмонием дало материалы с улучшенной термической и структурной стабильностью. Добавки, такие как 2D слои перовскита на границах зерна, действуют как пассивирующие барьеры, предотвращая миграцию ионов и разделение фаз.

Недавние работы продемонстрировали устройства, сохраняющие более 90% своей первоначальной эффективности после 1000 часов непрерывной работы при 85 ° C - критический ориентир для коммерческой жизнеспособности. Стратегии инкапсуляции с использованием атомного осаждения слоя (ALD) из оксида алюминия или полимерных барьерных пленок еще больше продлевают срок эксплуатации.

Интерфейс и дефект пассивации

Потери энергии на интерфейсах между слой перовскита и заряд-транспортные слои (электронный транспортный слой и слой переноса дырок) были основным ограничителем эффективности. Достижения в области инженерии интерфейса ввели самосборные монослои (SAMs) , которые уменьшают потери рекомбинации и улучшают выравнивание полосы. Дефект пассивации на границах зерен с использованием молекул, таких как бензиламин или йодид фенетиламмония, уменьшает состояния ловушки, повышая напряжение открытой цепи и коэффициент заполнения.

Агривольтаика — сочетание солнечной генерации с сельским хозяйством — требует панелей, которые позволяют частично передавать свет для роста урожая. Полупрозрачные перовскитные пленки могут быть спроектированы с окнами передачи, адаптированными к фотосинтетическому спектру конкретных культур. Ранние испытания с помидорами, салатом и травами показывают, что потери урожайности составляют 10-20% при производстве электроэнергии, которая добавляет второй поток доходов для фермеров.

Другие специализированные приложения включают в себя питание сенсорных сетей IoT в точном сельском хозяйстве, интеграцию в тепличные крыши и даже легкие массивы для ликвидации последствий стихийных бедствий и военных передовых операционных баз.

Решение проблем

Несмотря на быстрый прогресс, между нынешними прототипами и широким коммерческим внедрением сохраняются значительные препятствия.Промышленность активно работает по трем фронтам: стабильность, токсичность и масштаб.

Стабильность и продолжительность жизни

Единственная наиболее цитируемая проблема перовскитных солнечных элементов - их срок службы. В то время как лабораторные устройства теперь выживают тысячи часов в условиях ускоренного старения, реальные условия более сложны: ежедневное тепловое езда на велосипеде, УФ-облучение, влажность и механическое напряжение. Стандарт Международной электротехнической комиссии (МЭК) 61215, который требует 25-летнего проецирования срока службы для кремниевых панелей, еще не был выполнен ни одним продуктом перовскита.

Прогресс достигнут. Методы инкапсуляции, сочетающие неорганические барьерные слои с полимерными уплотнениями, подтолкнули прогнозируемые сроки службы к 10-15 годам в условиях умеренного климата. Для распределенных применений, однако, 10-летний срок службы может быть приемлемым, если стоимость за ватт достаточно низка. Экономическая работа: модуль перовскита, который стоит 0,15 долларов США / Вт и длится 10 лет, обеспечивает уравновешенную стоимость энергии (LCOE), сопоставимую с кремниевым модулем, который стоит 0,30 долларов США / Вт и длится 25 лет.

Токсичность свинца и альтернативы без свинца

Наиболее эффективные перовскитные клетки содержат свинец, что вызывает обеспокоенность по поводу воздействия на окружающую среду и здоровье от производства, эксплуатации или утилизации. Количество свинца в перовскитном модуле невелико - примерно 0,1-0,2% от веса свинцово-кислотной батареи эквивалентного хранения энергии - но утечку нельзя игнорировать.

В настоящее время изучаются два взаимодополняющих подхода:

• Композиции без свинца — Перовскиты на основе тин (такие как CsSnI3 и FASnI3) достигли эффективности более 13%, хотя они страдают от быстрого окисления. Также изучаются альтернативы бисмута и сурьмы, эффективность которых составляет около 4-6%.
• Инкапсуляция и переработка — Надежная инкапсуляция, которая предотвращает утечку свинца в условиях дождя или на свалке, в сочетании с протоколами утилизации с истекшим сроком службы, которые восстанавливают свинец и другие материалы, может снизить экологический риск. Стартапы, такие как Evolar и Solaronix, разрабатывают процессы переработки замкнутого цикла для модулей перовскита.

Масштабируемость и коммерческая жизнеспособность

Переход от пилотных линий к производству в гигаваттном масштабе требует решения единообразия, выхода и контроля дефектов на участках, измеряемых в квадратных метрах, а не квадратных сантиметрах. Тонкий пленочный допуск перовскитных пленок ниже, чем для кремния - пробоина или изменение толщины 50 нм могут вызвать локальное короткое замыкание, которое снижает выходную мощность модуля.

Производители оборудования реагируют встроенными инструментами инспекции на основе фотолюминесценции и картирования электролюминесценции. Алгоритмы машинного обучения, обученные на базах данных дефектов, могут выявлять проблемные области в режиме реального времени и корректировать параметры покрытия. Ожидается, что первые заводы, работающие только на перовските, достигнут 100 МВт годовой мощности к 2025 году, а к 2028 году планируется масштабировать до 1 ГВт.

Будущие направления и перспективы

Следующие пять лет определят, станут ли перовскитные солнечные элементы дополнением к кремнию или истинным преемником.Наиболее вероятным сценарием является гибридное будущее, где сосуществуют обе технологии, причем перовскиты доминируют в конкретных нишах распределенной мощности.

тандемные и многофункциональные устройства

Наиболее непосредственное применение высокой ценности - это перовскит-на-кремниевых тандемных ячейках , где верхняя ячейка перовскита захватывает синие фотоны, а нижняя ячейка кремния захватывает красные и ближние инфракрасные фотоны. Oxford PV продемонстрировала тандемы с эффективностью 28,5% - значительно выше теоретического предела однопереходного кремния (около 29,4%).

Эти тандемные ячейки обеспечивают путь к эффективности модулей >30%, потенциально снижая баланс системных затрат для установок коммунального масштаба. Для распределенных приложений 30%-эффективный модуль генерирует вдвое больше мощности на квадратный метр стандартного кремниевого модуля, что делает его привлекательным для установок на крыше с ограниченной площадью.

Умная интеграция с энергохранилищем

Легкий, гибкий характер модулей перовскита делает их идеальными для интеграции со строительными поверхностями и портативными устройствами. Соединяя их с твердотельными батареями или суперконденсаторами, создают самоходные системы , которые могут работать независимо от сетки. Исследователи из RIKEN продемонстрировали модуль перовскита, интегрированный с литий-ионной ячейкой сумки, которая заряжается при дневном свете и питает систему светодиодного освещения в течение ночи.