Перовскитные солнечные элементы: потенциал прозрачных фотоэлектрических элементов для современных зданий и фотоэлектрических проектов – Изображение: Xpert.Digital
Прозрачный энергетический переход: производство электроэнергии с помощью инновационных оконных технологий
Перовскитные солнечные элементы: будущие производители «умных» окон
Разработка прозрачных высокоэффективных солнечных элементов открывает новые перспективы для интеграции фотоэлектрических систем в здания. В частности, в последние годы перспективными кандидатами для этого применения стали перовскитные солнечные элементы. Благодаря КПД до 31,6%, возможности создания прозрачных конструкций и экономичному производству, они могут произвести революцию в использовании солнечной энергии. Современные исследования показывают, что ранее проблемная стабильность этих элементов значительно улучшена. Особенно перспективными являются такие применения, как «умные» окна, которые не только генерируют электроэнергию, но и могут регулировать свою прозрачность в зависимости от условий окружающей среды.
В связи с этим:
Основы перовскитной солнечной технологии
Перовскитные солнечные элементы представляют собой относительно новое направление в фотовольтаике, интенсивные исследования которого начались только в 2009 году. Свое название они получили от минерала перовскита, характерную кристаллическую структуру которого они демонстрируют. Эти солнечные элементы основаны на так называемых галогенидных перовскитах — гибридном материале, состоящем из положительно заряженных органических компонентов, таких как катионы метиламмония, и неорганических солей металлов, таких как йодид свинца. Их уникальный материальный состав и структура принципиально отличаются от традиционных кремниевых солнечных элементов, что делает их перспективным кандидатом для будущего солнечной энергетики.
Функциональность перовскитных солнечных элементов основана на их превосходной способности преобразовывать солнечный свет в электрическую энергию. Ученые из исследовательского центра в Юлихе с помощью новых измерений фотолюминесценции обнаружили, что свободные носители заряда в перовскитных солнечных элементах, вероятно, исключительно хорошо защищены от распада, что может быть ключевой причиной их высокой эффективности. Время жизни возбужденных носителей заряда в материале является решающим фактором эффективности этих солнечных элементов, поскольку оно определяет, как долго электроны, высвобождаемые светом, остаются доступными и могут вносить вклад в выработку энергии.
В последние годы технологическое развитие этих солнечных элементов достигло впечатляющих успехов. Если первые перовскитные солнечные элементы имели скромную эффективность всего в 4 процента, то новейшие модели регулярно достигают эффективности более 20 процентов. Институт Фраунгофера даже достиг рекордного значения в 31,6 процента, а немецкая компания Qcells — эффективности в 28,6 процента.
Преимущества прозрачных перовскитных солнечных элементов
Наиболее выдающейся особенностью перовскитных солнечных элементов по сравнению с традиционными кремниевыми модулями является их потенциал в сочетании с высокой эффективностью и прозрачностью. Это свойство открывает совершенно новые возможности применения, особенно в области интегрированных в здания фотоэлектрических систем. Прозрачные или полупрозрачные солнечные элементы могут быть интегрированы в оконные поверхности, что позволяет зданиям не только пропускать свет, но и одновременно вырабатывать электроэнергию.
Степень прозрачности может регулироваться в процессе производства в зависимости от требований, хотя следует отметить, что эффективность преобразования энергии снижается с увеличением прозрачности. Максимальная измеренная эффективность преобразования для прозрачных версий в настоящее время составляет впечатляющие 17,9 процента. Исследовательский проект IMPRESSIVE продемонстрировал, что комбинация технологий может преобразовывать солнечную энергию с эффективностью 14 процентов при среднем коэффициенте светопропускания более 55 процентов. Полупрозрачные УФ-перовскитные ячейки даже достигают эффективности более 10 процентов при коэффициенте светопропускания приблизительно 60 процентов.
Помимо прозрачности, перовскитные солнечные элементы обладают и другими существенными преимуществами. Они относительно недороги и просты в производстве, подобно тонкопленочным солнечным модулям. Производство значительно менее энергоемко по сравнению с кремниевыми элементами, поскольку перовскиты можно производить с использованием простых масштабируемых процессов, таких как рулонная печать. Кроме того, необходимые сырьевые материалы, как правило, легко доступны, что позволяет снизить стоимость материалов.
Еще одним важнейшим преимуществом является легкость и гибкость перовскитных солнечных элементов. Их можно наносить в виде сверхтонких слоев на различные подложки, что значительно расширяет возможности их применения. Это свойство позволяет создавать инновационные решения для портативных устройств, транспортных средств или интегрированных в здания фотоэлектрических систем, таких как солнечные окна или фасадные модули.
Инновационные решения в области интеграции зданий
Возможность сделать перовскитные солнечные элементы прозрачными делает их особенно привлекательными для интегрированных в здания фотоэлектрических систем (BIPV), где солнечные элементы заменяют традиционные строительные материалы, такие как окна. Встраивание перовскита между стеклами позволяет солнечным элементам служить фактическим фасадом и стеной здания, одновременно генерируя электроэнергию для использования на месте или для подачи в сеть.
Компания Panasonic Holdings представила конкретный пример этого инновационного применения, продемонстрировав полупрозрачные стеклянные балюстрады с перовскитными солнечными элементами на балконе типового дома к югу от Токио. Эти прототипы демонстрируют потенциал интеграции перовскитной технологии в повседневные строительные элементы. Физики из Лейпцига также разработали прозрачный солнечный элемент, который можно наносить методом парофазного осаждения непосредственно на оконное стекло, потенциально превращая целые фасады в электростанции.
Особенно многообещающими являются разработки в области термохромных или «умных» окон. Ученые из Калифорнийского университета в Беркли разработали функциональное расширение для фотоэлектрического окна, которое меняет свой цвет и прозрачность в зависимости от температуры и может генерировать электричество в темноте. Обратимое переключение на цветное солнечное окно основано на фазовом переходе сверхтонких слоев перовскита.
В прозрачном состоянии кристаллы перовскита имеют кубическую структуру и в значительной степени прозрачны, тогда как при температуре приблизительно 105 градусов Цельсия они переходят в менее прозрачную, но фотоэлектрически активную кристаллическую структуру. Это блокирует около двух третей видимого света и обеспечивает эффективность в семь процентов. При охлаждении до комнатной температуры и воздействии некоторого количества влаги этот фазовый переход обратим, и окно снова становится прозрачным.
В связи с этим:
Термохромные свойства для зданий, оптимизированных под климатические условия
Термохромные свойства окон на основе перовскита могут внести существенный вклад в повышение энергоэффективности зданий. Подобно фотохромным солнцезащитным очкам, эти окна могут менять цвет в ответ на изменения температуры, причем температура — в отличие от интенсивности света в солнцезащитных очках — является определяющим фактором. По мере повышения температуры прозрачное стекло постепенно становится желтым, оранжевым, красным или коричневым. Чем выше температура, тем темнее становится стекло, автоматически охлаждая помещение без необходимости использования кондиционера.
Этот механизм может внести существенный вклад в снижение энергопотребления на отопление и охлаждение. Учитывая, что на отопление и горячее водоснабжение приходится 25 процентов выбросов CO2 в Австрии, и что исследование Бирмингемского университета прогнозирует, что к 2050 году количество устройств охлаждения во всем мире увеличится в четыре раза и достигнет 14 миллиардов, такие интеллектуальные оконные решения могут внести значительный вклад в защиту климата.
Проблемы и решения
Несмотря на многообещающие свойства, перовскитные солнечные элементы сталкиваются с рядом проблем, которые до сих пор ограничивают их широкое коммерческое применение. Основная проблема — их стабильность в реальных условиях окружающей среды. Перовскитные кристаллы склонны к росту с дефектами и нарушениями структуры, что может привести к проблемам со стабильностью. Они пока не достигают долговечности кремниевых солнечных элементов и чувствительны к влажности, свету и теплу. Существенным недостатком является их низкая устойчивость к атмосферным воздействиям, поскольку материал может деградировать в экстремальных погодных условиях.
Однако исследования уже достигли значительного прогресса в преодолении этих проблем. Например, компания Panasonic добилась успеха в создании химически более стабильного варианта материала и защите его от воздействия окружающей среды с помощью двойного остекления. Бельгийская исследовательская организация Imec, партнер исследовательского консорциума EnergyVille, в сотрудничестве с Кипрским университетом совершила прорыв в исследованиях перовскитных солнечных модулей . В ходе двухлетнего исследования на открытом воздухе на Кипре была продемонстрирована долговременная стабильность мини-перовскитных модулей, которые достигли впечатляющей энергоэффективности в 78 процентов после года эксплуатации на открытом воздухе – значения, которое современные перовскитные солнечные модули часто могут поддерживать лишь несколько недель.
Прогресс также достигнут в области переработки. Шведские исследователи разработали метод полной и экологически безопасной переработки перовскитных солнечных элементов. Вместо использования токсичного диметилформамида для разборки элементов, как это делалось ранее, команда использует воду в качестве растворителя для расщепления разложившихся перовскитов. Все компоненты затем могут быть повторно использованы в новом перовскитном солнечном элементе без ущерба для производительности — переработанный солнечный элемент имеет ту же эффективность, что и исходный.
Для термохромных солнечных окон остаются определенные проблемы. Относительно высокая температура фазового перехода, составляющая чуть более 100 градусов Цельсия, должна быть дополнительно снижена для практического применения. Кроме того, влажность, необходимая для обратимого переключения, может ухудшить долговременную стабильность перовскитных слоев. Однако, поскольку состав перовскитных материалов может значительно варьироваться, дальнейшие исследования могли бы выявить смеси материалов, лишенные этих недостатков, и тем самым еще больше повысить эффективность.
Рыночный потенциал и перспективы на будущее
Сочетание гибкости, экономической эффективности и выдающейся производительности делает перовскитные солнечные элементы перспективной технологией для энергетического перехода. Аналитики рынка из IDTechEx прогнозируют, что к 2035 году годовой объем продаж перовскитных фотоэлектрических элементов достигнет почти 12 миллиардов долларов США. Эта технология может в будущем заменить кремниевые модули в качестве доминирующей фотоэлектрической технологии.
Сочетание перовскита с кремнием в тандемных ячейках представляется особенно перспективным, потенциально позволяя достичь эффективности до 43 процентов — значительного улучшения по сравнению с модулями на основе чистого кремния. Перовскитные материалы могут быть специально адаптированы для эффективного использования различных длин волн солнечного света: в то время как перовскит лучше поглощает коротковолновый (синий) свет, кремний превосходит его в длинноволновом (красном) диапазоне.
Прозрачные перовскитные солнечные элементы открывают совершенно новые перспективы для интегрированных в здания фотоэлектрических систем. Чтобы как можно быстрее заменить пассивные окна на окна, генерирующие электроэнергию, исследователи работают над оптимизацией характеристик этих технологий и ускорением выхода на рынок прозрачных фотоэлектрических элементов. Если удастся преодолеть оставшиеся проблемы, касающиеся стабильности и долговечности, солнечные окна на основе перовскита могут внести значительный вклад в децентрализованное производство энергии в городских районах в ближайшем будущем.
Городской энергетический переход: энергогенерирующие окна с перовскитной технологией
Перовскитные солнечные элементы, особенно их прозрачные версии для оконных применений, представляют собой перспективную технологию для будущего фотовольтаики. Благодаря сочетанию высокой эффективности, прозрачности, низких производственных затрат и гибкости, они обладают значительными преимуществами по сравнению с традиционными кремниевыми солнечными элементами. Возможность превращать фасады зданий и окна в генераторы электроэнергии без ущерба для их основной функции может внести решающий вклад в энергетический переход в городах.
Последние достижения в повышении стабильности и долговечности этих элементов в реальных условиях окружающей среды обнадеживают и открывают путь к более широкому коммерческому применению. Термохромные свойства некоторых окон на основе перовскита представляются особенно инновационными, поскольку они могут не только генерировать электроэнергию, но и способствовать повышению энергоэффективности зданий за счет регулирования их прозрачности.
Несмотря на сохраняющиеся проблемы, стремительное развитие перовскитной технологии в последние годы позволяет предположить, что прозрачные высокоэффективные солнечные элементы вскоре могут сыграть значительную роль в архитектуре и энергоснабжении. Эта инновационная технология может коренным образом изменить будущее строительства, создавая здания, окна и фасады которых не только эстетически привлекательны, но и активно способствуют производству энергии.
В связи с этим:
- Городской солнечный навес – пергола «Солнечный город» с полупрозрачными солнечными модулями – идеальная концепция для экологичного «умного» города будущего
- «Умный город»: масштабируемая интеллектуальная система солнечных навесов для автомобилей для частных лиц, муниципалитетов и промышленности – компактный солнечный навес для автомобиля
Ваш глобальный партнер по маркетингу и развитию бизнеса
☑️ Язык ведения нашего бизнеса — английский или немецкий
☑️ НОВИНКА: Переписка на вашем родном языке!
Konrad Wolfenstein
Я и моя команда будем рады быть вашими личными консультантами.
Вы можете связаться со мной, заполнив контактную форму здесь wolfenstein@xpert.digital:или просто позвонив по номеру +49 7348 4088 965. Мой адрес электронной почты
Я с нетерпением жду начала нашего совместного проекта.
