Бампер ДеХесус
В то время как солнечные элементы на основе кремния доминируют на рынке фотогальваники, кремний — далеко не единственный материал, который может эффективно собирать электричество из солнечного света. Тонкопленочные солнечные элементы, использующие кадмий и теллурид, распространены в солнечных установках коммунального масштаба, а в космосе мы используем высокоэффективные элементы, которые основаны на трех разных материалах для сбора различных частей спектра.
Другой класс материалов, который мы в настоящее время не используем, был предметом обширных исследований: перовскиты. Эти материалы дешевы и невероятно легко перерабатываются в функциональный солнечный элемент. Причина, по которой они не используются, заключается в том, что они имеют тенденцию разлагаться при попадании на солнечный свет, что ограничивает их полезность несколькими годами. Это привлекло внимание исследовательского сообщества, которое экспериментировало со способами сохранения стабильности на более длительный срок.
В четверг в журнале Science исследовательская группа из Принстона описала, как они структурировали перовскитовый материал, чтобы ограничить основной механизм его распада, в результате чего получился солнечный элемент со сроком службы, аналогичным сроку службы кремния. Хотя перовскитовая ячейка не так эффективна, как те, что в настоящее время представлены на рынке, аналогичная структура может работать для сохранения родственных материалов с более высокой эффективностью.
Почему перовскиты?
Перовскиты — это не один материал; вместо этого они представляют собой большое семейство химических веществ, которые при кристаллизации принимают аналогичную конфигурацию. Они могут быть образованы из различных элементов и даже включать органические химические вещества в качестве одного из ионов, присутствующих в кристалле. Эта гибкость означает, что, несмотря на структурное сходство, кристаллы перовскита могут иметь различные свойства в зависимости от химических веществ, составляющих эту структуру.
Эти свойства иногда включают в себя сильный фотоэлектрический эффект (если бы они этого не сделали, это была бы очень короткая статья). Материалы имеют ряд преимуществ по сравнению с теми, которые мы используем для солнечных элементов. Во-первых, их часто можно сделать из очень дешевого сырья — например, свинец — один из наиболее часто используемых элементов в фотоэлектрических перовскитах.
Также относительно просто заставить перовскиты образовывать высококачественные кристаллы, когда они осаждаются из раствора, что значительно упрощает работу с ними. Обработка решения недорога и легко масштабируется, и потенциально может наносить фотоэлектрические слои на ряд материалов и поверхностей.
Так почему же почти все до сих пор используют кремний? Начнем с того, что перовскиты гораздо менее эффективны в преобразовании фотонов в электричество, чем конкуренты. Отчасти это было важным фактором, потому что большая часть расходов на солнечные установки приходится на разрешения и затраты на установку, что дает некоторую премию за получение максимальной отдачи от каждой устанавливаемой вами панели.
Недавние разработки позволили выявить перовскиты, эффективность которых аналогична эффективности кремния — по крайней мере, некоторое время. К сожалению, характеристики большинства перовскитов быстро ухудшаются, поскольку кристаллические структуры, которые они образуют, со временем разрушаются под воздействием света. Большинство протестированных нами перовскитов потеряют значительную часть своей продукции в течение года, и лишь немногие обладают стабильностью, позволяющей поддерживать высокую производительность в течение пяти лет.
