Возможность преобразовывать энергию солнца в электричество уже изменила энергетическую промышленность в глобальном масштабе. В прошлом году более 90 гигаватт солнечных мощностей были установлены по всему миру, что эквивалентно общему производству электроэнергии всей Турции.
Тем не менее, исследователи полагают, что в ближайшие годы солнечная энергия может стать еще более эффективной и дешевой, чем сейчас. В то время как большинство современных фотоэлементов изготавливаются из кремния, ключевым направлением для расширения потенциала отрасли становится применение новых материалов для их производства.
Одним из наиболее перспективных из них считается семейство кристаллов, известных как перовскиты (названные в честь российского геолога Льва Перовского). Некоторые перовскиты очень хорошо поглощают свет: с их помощью ученым уже удалось получить 22-процентную эффективность преобразования энергии, что примерно соответствует традиционным кремниевым элементам.
К настоящему времени характеристики и КПД перовскитов превзошли другие альтернативные солнечные материалы – например, сенсибилизированные красителем солнечные батареи (ячейки Гретцеля) или органические фотоэлементы. Все больше ученых делают оптимистичные прогнозы по поводу прогресса технологий солнечной энергетики на основе перовскитов, хотя впервые с этой целью их стали применять не более 10 лет назад.
Вместе с тем, до сих пор существуют ряд серьезных препятствий для массового внедрения перовскитов в коммерческие продукты. Поскольку кристаллы легко растворяются в воде, они должны быть защищены от влаги с помощью герметичных стеклянных пластин. Кроме того, хотя ученые и достигли высокой эффективности с очень маленькими перовскитными ячейками, им не удалось получить такой же эффект с более крупными ячейками.
«Перовскиты, безусловно, не так стабильны, как кремний, — говорит Майкл МакГи, профессор материаловедения в Стэнфордском университете. — Так что – это главная проблема. Другое дело в том, что перовскиты – совершенно новая технология, которая еще не масштабировалось и производственные фабрики пока не построены. Это займет некоторое время».
Ни одна компания не производит коммерческие перовскитовые солнечные элементы в больших масштабах, хотя одна из них – Oxford PV (подразделение Оксфордского университета) – имеет экспериментальный цех по выпуску таких солнечных батарей в Германии.
Исследовательские центры и небольшие компании, изучающие перовскиты, сейчас вступают борьбу за более высокий уровень финансирования, сопоставимый с денежными вливаниями в кремниевые технологии.
«Сегодня трудно противостоять на равных кремнию или побеждать его, — объясняет МакГи. — Причина в том, что у этой технологии уже есть огромная экономия на масштабе».
В ближайшей перспективе одним из решений, предложенным профессором МакГи, является использование «тандемных» солнечных элементов, в которых слой перовскита наносится поверх традиционного кремния. Полупрозрачная перовскитная ячейка захватывает определенные длины волн в видимом спектре света, позволяя пропускать другие, которые затем утилизируются кремниевым элементом под ней.
Исследования команды Макги показали, что тандемные фотоэлементы на 10% эффективнее, чем кремниевые аналоги. Это может стать открытием, которое позволит выйти новому материалу на рынок, где пока доминирует кремний.
С преодолением проблем малого масштаба и стабильности, перовскитные фотоэлементы могут перевернуть всю отрасль солнечной энергетики, поскольку они намного дешевле в производстве, чем кремниевые фотоэлементы. Кристаллы перовскита могут быть получены при относительно низких температурах, в отличие от кремния, который требует огромного количества тепла для изготовления полупроводниковой пластины.
«Мы надеемся прийти к одному пенни за ватт [1 пенни ≈ 1 цент]. Это и есть цель создания таких солнечных батарей, — говорит Нитин Падтура, директор Института молекулярных и наномасштабных инноваций в Университете Брауна. — Универсальность и возможности этих материалов очень захватывающи».
