Опубліковано: 8 березня 2025 р. / Оновлено: 8 березня 2025 р. – Автор: Konrad Wolfenstein
Перовскітні сонячні елементи: потенціал прозорої фотоелектричної енергії для сучасних будівель та фотоелектричних проектів – зображення: Xpert.Digital
Прозорий енергетичний перехід: виробництво електроенергії за допомогою інноваційної технології вікон
Перовскітні сонячні елементи: майбутні виробники розумних вікон
Розробка прозорих, високоефективних сонячних елементів відкриває нові перспективи для інтеграції фотоелектричних систем у будівлі. Зокрема, перовскітні сонячні елементи стали перспективним кандидатом для цього застосування в останні роки. Завдяки ефективності до 31,6 відсотка, можливості прозорих конструкцій та економічно ефективному виробництву вони можуть революціонізувати використання сонячної енергії. Сучасні дослідження показують, що раніше проблематична стабільність цих елементів значно покращилася. Особливо перспективними є такі застосування, як розумні вікна, які не тільки генерують електроенергію, але й можуть регулювати свою прозорість відповідно до умов навколишнього середовища.
Підходить для цього:
Основи перовскітної сонячної технології
Перовскітні сонячні елементи є відносно новим розробником у фотоелектричній техніці, інтенсивні дослідження якої розпочалися лише у 2009 році. Свою назву вони завдячують мінералу перовскіту, характерну кристалічну структуру якого вони демонструють. Ці сонячні елементи базуються на так званих галогенідних перовскітах, гібридному матеріалі, що складається з позитивно заряджених органічних компонентів, таких як катіони метиламонію, та неорганічних солей металів, таких як йодид свинцю. Їхній унікальний склад матеріалу та структура принципово відрізняються від традиційних кремнієвих сонячних елементів, що робить їх перспективним кандидатом на майбутнє сонячної енергетики.
Функціональність перовскітних сонячних елементів залежить від їхньої чудової здатності перетворювати сонячне світло на електричну енергію. Вчені з дослідницького центру Юліха за допомогою нових вимірювань фотолюмінесценції виявили, що вільні носії заряду в перовскітних сонячних елементах, ймовірно, надзвичайно добре захищені від розпаду, що може бути ключовою причиною їхньої високої ефективності. Час життя збуджених носіїв заряду в матеріалі є вирішальним фактором ефективності цих сонячних елементів, оскільки він визначає, як довго електрони, що вивільняються світлом, залишаються доступними та можуть сприяти виробленню енергії.
За останні роки технологічний розвиток цих сонячних елементів досяг вражаючого прогресу. У той час як перші перовскітні сонячні елементи мали скромний ККД лише 4 відсотки, останні моделі регулярно досягають ККД понад 20 відсотків. Інститут Фраунгофера навіть досяг рекордного значення в 31,6 відсотка, тоді як німецька компанія Qcells досягла ККД 28,6 відсотка.
Переваги прозорих перовскітних сонячних елементів
Найвидатнішою особливістю перовскітних сонячних елементів порівняно зі звичайними кремнієвими модулями є їх потенціал прозорості в поєднанні з високою ефективністю. Ця властивість відкриває абсолютно нові можливості застосування, зокрема в галузі інтегрованої в будівлі фотоелектричної енергії. Прозорі або напівпрозорі сонячні елементи можна інтегрувати у віконні поверхні, що дозволяє будівлям не лише пропускати світло, але й одночасно генерувати електроенергію.
Ступінь прозорості можна регулювати під час виробничого процесу залежно від вимог, хоча слід зазначити, що ефективність перетворення енергії знижується зі збільшенням прозорості. Найвищий виміряний коефіцієнт перетворення для прозорих версій наразі становить вражаючі 17,9 відсотка. Дослідницький проект IMPRESSIVE продемонстрував, що комбінація технологій може перетворювати сонячну енергію з ефективністю 14 відсотків при середньому коефіцієнті пропускання світла понад 55 відсотків. Напівпрозорі УФ-перовскітні елементи навіть досягають ефективності понад 10 відсотків при коефіцієнті пропускання світла приблизно 60 відсотків.
Окрім прозорості, перовскітні сонячні елементи пропонують інші помітні переваги. Вони відносно недорогі та прості у виробництві, подібно до тонкоплівкових сонячних модулів. Виробництво значно менш енергоємне порівняно з кремнієм, оскільки перовскіти можна виготовляти за допомогою простих, масштабованих процесів, таких як рулонний друк. Крім того, необхідна сировина, як правило, легкодоступна, що забезпечує низькі витрати на матеріали.
Ще однією важливою перевагою є легкість і гнучкість перовскітних сонячних елементів. Їх можна наносити надтонкими шарами на різні підкладки, що значно розширює можливості їх застосування. Ця властивість дозволяє використовувати їх у портативних пристроях, транспортних засобах або інтегрованих у будівлі фотоелектричних рішеннях, таких як сонячні вікна або фасадні модулі.
Інноваційні застосування в інтеграції будівель
Здатність робити перовскітні сонячні елементи прозорими робить їх особливо привабливими для інтегрованих у будівлі фотоелектричних систем (BIPV), де сонячні елементи замінюють традиційні будівельні матеріали, такі як вікна. Вбудовування перовскіту між скляними панелями дозволяє сонячним елементам служити фактичним фасадом і стіною будівлі, одночасно виробляючи електроенергію для використання на місці або подачі в мережу.
Компанія Panasonic Holdings представила конкретний приклад цього інноваційного застосування, продемонструвавши напівпрозорі скляні балюстради з перовскітними сонячними елементами на балконі зразкового будинку на південь від Токіо. Ці прототипи демонструють потенціал інтеграції перовскітної технології в повсякденні будівельні елементи. Фізики в Лейпцигу також розробили прозорий сонячний елемент, який можна наносити методом парової обробки безпосередньо на віконне скло, потенційно перетворюючи цілі фасади на електростанції.
Розробки в галузі термохромних або «розумних» вікон є особливо перспективними. Вчені з Каліфорнійського університету в Берклі розробили функціональне розширення для фотоелектричного вікна, яке змінює свій колір і прозорість залежно від зміни температури та може генерувати електроенергію в затемненому стані. Оборотний перехід на кольорове сонячне вікно базується на фазовій зміні надтонких перовскітних шарів.
У прозорому стані кристали перовскіту мають кубічну структуру та є значною мірою прозорими, тоді як за температури приблизно 105 градусів Цельсія вони переходять у менш прозору, але фотоелектрично активну кристалічну структуру. Це блокує близько двох третин видимого світла та досягає ефективності семи відсотків. При охолодженні до кімнатної температури та впливі певної вологи ця фазова зміна може бути зворотною, і вікно знову стає прозорим.
Підходить для цього:
Термохромні властивості для кліматично оптимізованих будівель
Термохромні властивості вікон на основі перовскіту можуть зробити значний внесок у енергоефективність будівель. Подібно до фотохромних сонцезахисних окулярів, ці вікна можуть змінювати колір у відповідь на зміни температури, причому температура, на відміну від інтенсивності світла в сонцезахисних окулярах, є визначальним фактором. Зі зростанням температури прозоре скло поступово жовтіє, помаранчевується, червоніє або коричневіє. Чим гарячіше, тим темнішим стає скло, таким чином автоматично охолоджуючи приміщення без потреби в кондиціонуванні повітря.
Цей механізм може суттєво сприяти зменшенню споживання енергії на опалення та охолодження. Враховуючи, що опалення та гаряче водопостачання становлять 25 відсотків викидів CO2 в Австрії, а дослідження Бірмінгемського університету прогнозує, що кількість охолоджувальних пристроїв у світі зросте в чотири рази до 14 мільярдів до 2050 року, такі розумні віконні рішення можуть зробити значний внесок у захист клімату.
Виклики та рішення
Незважаючи на свої багатообіцяючі властивості, перовскітні сонячні елементи стикаються з кількома проблемами, які досі обмежують їхнє широке комерційне застосування. Основною проблемою є їхня стабільність у реальних умовах навколишнього середовища. Кристали перовскіту мають тенденцію до невпорядкованого та дефектного росту, що може призвести до проблем зі стабільністю. Вони ще не досягають довговічності кремнієвих сонячних елементів і чутливі до вологості, світла та тепла. Істотним недоліком є їхня нижча атмосферостійкість, оскільки матеріал може руйнуватися за екстремальних погодних умов.
Однак, дослідження вже досягли значного прогресу в подоланні цих проблем. Наприклад, Panasonic вдалося створити хімічно стабільніший варіант матеріалу та захистити його від негоди за допомогою подвійного скління. Бельгійська дослідницька установа Imec, партнер дослідницького консорціуму EnergyVille, досягла прориву в дослідженні перовскітних сонячних модулів . У ході дворічного дослідження на відкритому повітрі на Кіпрі було продемонстровано довгострокову стабільність міні-перовскітних модулів, які досягли вражаючої енергоефективності 78 відсотків після одного року роботи на відкритому повітрі – значення, яке сучасні перовскітні сонячні модулі часто можуть підтримувати лише протягом кількох тижнів.
Також досягнуто прогресу в галузі переробки. Дослідники зі Швеції розробили метод повністю та екологічно безпечної переробки перовскітних сонячних елементів. Замість використання токсичного диметилформаміду для демонтажу елементів, як це робилося раніше, команда використовує воду як розчинник для розкладання розкладених перовскітів. Усі компоненти потім можна повторно використовувати в новому перовскітному сонячному елементі без шкоди для продуктивності – перероблений сонячний елемент має таку ж ефективність, як і оригінальний.
Специфічні проблеми залишаються для термохромних сонячних вікон. Відносно висока температура фазового переходу, трохи більше 100 градусів Цельсія, потребує додаткового зниження для практичного застосування. Крім того, вологість, необхідна для оборотного перемикання, може погіршити довгострокову стабільність перовскітних шарів. Однак, оскільки склад перовскітних матеріалів може значно змінюватися, подальші дослідження можуть визначити суміші матеріалів без цих недоліків і таким чином ще більше підвищити ефективність.
Ринковий потенціал та майбутні перспективи
Поєднання гнучкості, економічних переваг та видатної ефективності робить перовскітні сонячні елементи перспективною технологією для енергетичного переходу. Дослідники ринку IDTechEx прогнозують, що до 2035 року ринок перовскітних фотоелектричних елементів досягне річного обсягу продажів майже 12 мільярдів доларів США. Ця технологія може замінити кремнієві модулі як домінуючу фотоелектричну технологію в майбутньому.
Поєднання перовскіту з кремнієм у тандемних елементах виглядає особливо перспективним, потенційно досягаючи ефективності до 43 відсотків – значне покращення порівняно з модулями з чистого кремнію. Перовскітні матеріали можна спеціально адаптувати для ефективного використання сонячного світла різної довжини хвилі: у той час як перовскіт краще поглинає короткохвильове (синє) світло, кремній переважає в довгохвильовому (червоному) діапазоні.
Прозорі перовскітні сонячні елементи відкривають абсолютно нові перспективи для інтегрованих у будівлі фотоелектричних систем. Щоб якомога швидше замінити пасивні вікна вікнами для виробництва енергії, дослідники працюють над оптимізацією продуктивності цих технологій та пришвидшенням виходу на ринок прозорих фотоелектричних елементів. Якщо вдасться подолати решту проблем щодо стабільності та довговічності, сонячні вікна на основі перовскіту можуть зробити значний внесок у децентралізоване виробництво енергії в міських районах найближчим часом.
Перехід міської енергії: вікна, що генерують енергію, з перовскітною технологією
Перовскітні сонячні елементи, особливо їх прозорі версії для віконних застосувань , являють собою перспективну технологію для майбутнього фотоелектричної енергетики. Завдяки поєднанню високої ефективності, прозорості, низьких виробничих витрат та гнучкості вони пропонують значні переваги над традиційними кремнієвими сонячними елементами. Здатність перетворювати фасади будівель та вікна на генератори енергії без шкоди для їхньої основної функції може зробити вирішальний внесок у енергетичний перехід у міських районах.
Нещодавні досягнення у покращенні стабільності та довговічності цих елементів у реальних умовах навколишнього середовища є обнадійливими та прокладають шлях для ширшого комерційного застосування. Термохромні властивості деяких вікон на основі перовскіту виглядають особливо інноваційними, оскільки вони можуть не тільки генерувати електроенергію, але й сприяти енергоефективності будівель, регулюючи їхню прозорість.
Хоча деякі проблеми залишаються невирішеними, швидкий розвиток перовскітної технології в останні роки свідчить про те, що прозорі, високоефективні сонячні елементи незабаром можуть відігравати значну роль в архітектурі та енергопостачанні. Ця інноваційна технологія може докорінно змінити майбутнє будівництва, створюючи будівлі, вікна та фасади яких не лише естетично привабливі, але й активно сприяють виробництву енергії.
Підходить для цього:
Ваш глобальний партнер з маркетингу та розвитку бізнесу
☑ Наша ділова мова - англійська чи німецька
☑ Нове: листування на вашій національній мові!
Konrad Wolfenstein
Я радий бути доступним вам та моїй команді як особистого консультанта.
Ви можете зв’язатися зі мною, заповнивши тут контактну форму або просто зателефонуйте мені за номером +49 89 674 804 (Мюнхен) . Моя електронна адреса: Вольфенштейн ∂ xpert.digital
Я з нетерпінням чекаю нашого спільного проекту.
