211service.com
Czy najbardziej ekscytująca nowa materia słoneczna może dorównać swoim szumom?
Perovskite obiecuje być tańszy i wydajniejszy niż krzem — a kilka firm twierdzi, że są bliskie wyprodukowania go na dużą skalę.
29 czerwca 2021
Technologie wierzby
Testowanie ogniw słonecznych z perowskitu w laboratorium wymagało porządnej pary butów do biegania. Materiały rozpadały się tak szybko, że naukowcy uciekali z miejsca, w którym wyprodukowali komórki, do miejsca, w którym je przetestowali, próbując zmierzyć ich wydajność, zanim komórki ulegną degradacji w ich rękach – zwykle w ciągu kilku minut.
Perowskity od dawna oczarowywały naukowców obietnicą wyprodukowania niedrogich, ultrawydajnych ogniw słonecznych. A teraz kilka firm robi duże postępy w kierunku produkcji komercyjnych ogniw słonecznych z perowskitu na dużą skalę.
Ale niestabilność materiałów zagroziła wykolejeniem ich drogi na dachy i elektrownie. Chociaż kilka firm twierdzi, że rozwiązało wyzwanie, przynajmniej na tyle dobrze, aby wprowadzić wstępne produkty na rynek w ciągu roku, niektórzy badacze nadal są sceptyczni.
Ludzie chcą, żebym powiedział: „Wiem na pewno, że będzie stabilnie, będzie wydajny i podbijemy świat” – mówi Joseph Berry , który prowadzi program badawczy perowskitów na Amerykańskie Narodowe Laboratorium Energii Odnawialnej. Część mnie w to wierzy, ale część mnie jako naukowca mówi: „Nie mam danych”.
Chłonąc słońce
Perowskity to materiały syntetyczne, niedrogie i stosunkowo proste w produkcji nawet w dużych ilościach. Powszechne perowskity stosowane w fotowoltaice są zazwyczaj czymś w rodzaju halogenku metyloamonowego, ale rodzina perowskitów obejmuje tysiące materiałów, które mają tę samą strukturę krystaliczną. Pokryte na elastycznej podstawie mogą wytwarzać cienkowarstwowe ogniwa słoneczne, które są lekkie i podatne na zginanie.
Chociaż w ostatnich dziesięcioleciach pojawiło się kilka nowych materiałów fotowoltaicznych, żaden z nich nie wpłynął na rynek zdominowany przez krzem. Znajduje się w około 95% istniejących ogniw słonecznych.
Niektóre firmy perowskitowe, takie jak Technologie wierzby w Warszawie starają się całkowicie odejść od krzemu. Firma, założona w 2014 roku, opracowała proces drukowania atramentowego do produkcji ogniw słonecznych z perowskitu w elastycznym plastiku. Panel zawierający komórki Saule'a jest około jednej dziesiątej cięższy niż panel silikonowy o tym samym rozmiarze.
W maju Saule otworzył fabrykę, która może produkować około 40 000 metrów kwadratowych paneli rocznie. To wystarczy do wygenerowania około 10 megawatów mocy (niektóre fabryki produkujące ogniwa krzemowe są setki razy większe).
Powiązana historia
Te elastyczne ogniwa słoneczne przybliżają nas do porzucenia nałogu paliw kopalnych Żaden materiał solarny nie zdołał zastąpić krzemu. Perowskity, które są znacznie tańsze i można je przerobić na elastyczne moduły, mogą to zmienić.Podczas gdy perowskity mają potencjał, aby osiągnąć wysoką wydajność ( Rekord świata w przypadku ogniwa zawierającego tylko perowskit wynosi nieco ponad 25%), większość najlepiej działających obecnie ogniw perowskitowych jest maleńka – ma mniej niż cal szerokości.
Skalowanie w górę utrudnia osiągnięcie potencjalnych limitów wydajności. Obecnie panele Saule, które mają metr szerokości, osiągają wydajność około 10%. Jest to przyćmione przez komercyjne panele krzemowe o podobnych rozmiarach, które zazwyczaj osiągają wydajność około 20%.
Olga Malinkiewicz , założyciel i dyrektor ds. technologii Saule, mówi, że celem firmy było wypuszczenie na rynek ogniwa słonecznego zawierającego tylko perowskit, a niższe sprawności nie będą miały znaczenia, jeśli technologia jest wystarczająco tania.
Saule stara się iść tam, gdzie krzemowe panele słoneczne nie są w stanie: na dachy, które nie są w stanie wytrzymać ciężaru ciężkich paneli szklanych, lub do bardziej specjalistycznych zastosowań, takich jak żaluzje zasilane energią słoneczną, które firma obecnie testuje.
Podczas gdy Saule wprowadza na rynek produkty cienkowarstwowe do bardziej niszowych zastosowań, inne firmy mają nadzieję na pokonanie lub przynajmniej dołączenie do krzemu we własnej grze. Z siedzibą w Wielkiej Brytanii Oksford PV wprowadza perowskity do połączonych ogniw perowskitowo-krzemowych.
Ponieważ krzem pochłania światło w kierunku czerwonego końca widma widzialnego, a perowskity można dostroić do pochłaniania różnych długości fal, powlekanie warstwą perowskitu na wierzchu ogniw krzemowych umożliwia kombinowanym komórkom osiągnięcie wyższej wydajności niż sam krzem.
Kombinowane ogniwa Oxford PV są ciężkie i sztywne, jak ogniwa zawierające tylko krzem. Ale ponieważ mają ten sam rozmiar i kształt, nowe ogniwa można łatwo włożyć w panele do tablic dachowych lub farm fotowoltaicznych.
Oxford PV łączy perowskit i krzem w celu stworzenia wysokowydajnych ogniw słonecznych.
OXFORD PVChris Case , dyrektor ds. technologii w Oxford PV, mówi, że firma koncentruje się na obniżeniu uśrednionych kosztów energii elektrycznej, miernika, który uwzględnia koszty instalacji systemu i eksploatacji w całym okresie eksploatacji. Podczas gdy nakładanie warstw perowskitów na krzem zwiększa koszty produkcji, uśredniony koszt ogniwa kombinowanego powinien z czasem spadać poniżej krzemu, ponieważ te nowe ogniwa są bardziej wydajne. Oksford ustanowił kilka światowych rekordów wydajności dla tego typu ogniw w ciągu ostatnich kilku lat, ostatnio osiągając 29,5%.
Mikrokwanty półprzewodnikowe , chińska firma zajmująca się perowskitami z siedzibą w Hangzhou, również czerpie wskazówki z krzemowych ogniw słonecznych. Firma produkuje panele ze sztywnych, przeszklonych ogniw wykonanych z perowskitów.
Pilotażowa fabryka Microquanta została otwarta w 2020 roku i do końca roku powinna osiągnąć 100 megawatów mocy, mówi Kupi Yan , dyrektor ds. technologii firmy. Firma posiada panele demonstracyjne zainstalowane na kilku budynkach i farmach fotowoltaicznych w całych Chinach.
Rozwiązywanie dla stabilności
Stabilność perowskitów poprawiła się z minut do miesięcy w ciągu kilku lat. Jednak większość zainstalowanych obecnie ogniw krzemowych ma gwarancję około 25 lat, cel, do którego perowskity mogą jeszcze nie być w stanie osiągnąć.
Perowskity są szczególnie wrażliwe na tlen i wilgoć, które mogą zakłócać wiązania w krysztale, uniemożliwiając skuteczne przemieszczanie się elektronów przez materiał. Naukowcy pracują nad wydłużeniem żywotności perowskitów, zarówno poprzez opracowanie mniej reaktywnych receptur perowskitów, jak i znalezienie lepszych sposobów ich pakowania.
Oxford PV, Microquanta i Saule twierdzą, że rozwiązali problem stabilności, przynajmniej na tyle dobrze, aby sprzedać swoje pierwsze produkty.
Szacowanie długoterminowej wydajności ogniw słonecznych odbywa się zwykle za pomocą przyspieszonych testów, umieszczając ogniwa lub panele w bardzo stresujących warunkach, aby symulować lata zużycia. Najpopularniejszym zestawem testów dla zewnętrznych ogniw krzemowych jest seria o nazwie IEC 61215.
Oxford i Microquanta przeszły pomyślnie testy z tej serii związane z wydajnością ogniw. Saule przeszło niektóre testy, ale nadal pracuje nad innymi, takimi jak test wilgotności – mówi Malinkiewicz.
Przejście pełnej serii zwykle oznacza, że krzemowy panel słoneczny będzie działał co najmniej 25 lat, chociaż naukowcy nie mogą być pewni, czy ta sama korelacja jest prawdziwa dla nowych materiałów, takich jak perowskity.
Oxford PV przebadał niektóre z tysięcy związków wchodzących w skład rodziny perowskitów, aby znaleźć bardziej stabilne preparaty. Firma odmówiła ujawnienia szczegółów dotyczących wydajności, chociaż Case twierdzi, że absolutnie oczekuje, że ich produkty będą miały podobną żywotność jak ogniwa krzemowe. Firma zainstalowała panele testowe na dachu w Europie Środkowej w grudniu 2019 r., a Case twierdzi, że jak dotąd panele zawierające komórki z warstwami perowskitu wykazują taką samą degradację jak komercyjne panele krzemowe, które zainstalowali dla porównania.
Yan z Microquanta mówi, że firma zainstalowała ogniwa testowe na zewnątrz w lutym 2020 r., Które nadal osiągają dziś taką samą moc szczytową, jak w momencie ich zainstalowania.
Microquanta prezentuje swoje panele słoneczne na budynkach i farmach fotowoltaicznych w całych Chinach.
MIKROQUANTA PÓŁPRZEWODNIKAby poprawić stabilność swoich produktów, Saule wprowadził zmiany w metalowych stykach w ogniwie, a także w warstwie perowskitu. Pierwsza generacja ogniw perowskitowych w osłonie z tworzywa sztucznego firmy Saule będzie miała co najmniej 10-letnią gwarancję wydajności, mówi Malinkiewicz. Chociaż ogniwa krzemowe wytrzymują dłużej, ma nadzieję, że niższa cena i łatwość instalacji przekona klientów do zaakceptowania krótszej żywotności.
Niektórych badaczy nie przekonują te twierdzenia. O ile wiem, problemy ze stabilnością nie zostały dobrze rozwiązane, mówi Letian Dou , badacz perowskitu na Purdue University w Indianie. Dou mówi, że trudno jest powiedzieć, co zamierzają te firmy, ponieważ zachowują one w tajemnicy swoje materiały, chociaż dodaje, że pomyślne przejście zewnętrznych testów, takich jak IEC 61215, jest obiecujące.
Laboratorium Dou jest jednym z kilku, które zostały niedawno wybrane do otrzymania dofinansowania z Departamentu Energii USA, aby spróbować rozwiązać niektóre z pozostałych problemów związanych z technologią. W marcu 2021 r. dział ogłosił Dotacje w wysokości 40 milionów dolarów na wsparcie badań nad perowskitami, głównie na projekty ukierunkowane na poprawę stabilności tych materiałów i ułatwienie ich produkcji.
Chociaż ogniwa perowskitowe zyskują coraz więcej funduszy i uwagi, tylko czas pokaże, czy mogą konkurować lub współistnieć z krzemem. Mimo to naukowcy są optymistycznie nastawieni do perspektywy dostarczania tańszej, bardziej dostępnej energii słonecznej. Znaki są dobre, mówi Berry z Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej.
I dodaje, nawet po latach badań, firmy działające w tym obszarze nadal będą musiały zaakceptować pewną niepewność. Jeśli chcesz być na krawędzi, mówi, będziesz musiał żyć z pewnym ryzykiem.