Снимка: CubicPV
През 1839 г. немският учен Густав Роуз отива в Уралските планини и открива тъмен, лъскав минерал. Той кръщава калциевия титанат "перовскит" на руския минералог Лев Перовски. Минералът е един от многото, които Роуз открива, но почти два века по-късно други материали, които споделят кристалната структура на перовскита, вече могат да трансформират устойчива енергия.
Слънчевите панели представляват около 5% от производството на енергия в САЩ миналата година, което е 11 пъти повече от преди 10 години. В момента това е достатъчно за захранване на около 25 милиона домакинства. Те са и най-бързо развиващият се източник на нова енергия, който представлява 50% от цялото производство на електроенергия, добавено през 2022 г. Почти всички слънчеви модули, които се използват в производството на електроенергия днес, се състоят от конвенционални панели на базата на силиций, произведен в Китай. Това е технология, която не се е променила много от откриването на силициевите клетки през 50-те години на миналия век.
Други използвани материали, като галиев арсенид, меден индиев галиев селенид и кадмиев телурид – последният е ключ към растежа на най-голямата соларна компания в САЩ First Solar – могат да бъдат много скъпи или токсични. Поддръжниците на базирани на перовскит соларни клетки казват, че те могат да надминат силициевите поне по два начина и да помогнат с изменението на климата. Тази седмица First Solar обяви придобиването на европейския производител на перовскитни технологии Evolar.
Границите на силиция на соларните клетки
Фотоволтаичните клетки преобразуват фотоните от слънчевата светлина в електричество. Но не всички фотони са еднакви. Те имат различно количество енергия и съответстват на различните дължини на вълните в слънчевия спектър. Клетките, направени от перовскити, които се отнасят за различни материали с кристални структури, наподобяващи тази на минерала, имат по-висок коефициент на абсорбция. Това означава, че те могат да вземат по-широк диапазон от фотонни енергии в спектъра на слънчевата светлина и да доставят повече енергия. Докато стандартните търговски силициеви клетки имат ефективност от около 21%, лабораторните перовскитни клетки имат ефективност до 25,7% за тези, базирани само на перовскит, и до 31,25% за тези, които са комбинирани със силиций в така наречената тандемна клетка. Междувременно, дори когато ефективността на силиция се е увеличила, клетките с единична връзка са изправени пред теоретична бариера за максимална ефективност от 29%, известна като границата на Shockley-Queisser. Тяхната практическа граница е само 24%.
Перовскитните клетки могат да бъдат по-устойчиви за производство от силиция. Необходими са интензивна топлина и големи количества енергия, за да се премахнат примесите от силиция, което води до много въглеродни емисии. Перовскитните клетки са много тънки - по-малко от 1 микрометър - и могат да бъдат боядисани или напръскани върху повърхности, което ги прави сравнително евтини за производство. Според експериментален производствен метод от Станфордския университет през 2020 г., перовскитните модули могат да бъдат направени само за 25 цента на квадратен фут, в сравнение с еквивалента на силиция за 2,50 долара.
„Индустриите ще създадат производствени линии във фабриките с цел комерсиализация на техните соларни клетки преди 2025 г.“, казва професорът по инженерство от университета Тоин в Йокохама, Цутому Миясака. Той докладва за създаването на първата перовскитна слънчева клетка през 2009 г. „Не само за панели в соларни инсталации на открито, но също така и за вътрешни IoT захранващи устройства, които ще бъдат популярни на пазара за перовскитни фотоволтаични устройства, защото могат да работят дори при слабо осветление.
Подкрепата за климатична технология от следващо поколение
Компании по света започват да комерсиализират перовскитните панели. CubicPV, базирана в Масачузетс и Тексас, разработва тандемни модули от 2019 г. насам, а нейните поддръжници включват Breakthrough Energy Ventures, собственост на Бил Гейтс. Компанията казва, че нейните модули са съставени от долен силициев слой и горен перовскитен слой и тяхната ефективност ще достигне 30%. Тяхното предимство, според главния изпълнителен директор Франк ван Миерло, е перовскитната химия на компанията и нейният евтин производствен метод за силициевия слой, който прави тандемния подход икономичен.
Миналия месец Министерството на енергетиката обяви, че CubicPV ще бъде водещият участник в нов изследователски център на Масачузетския технологичен институт, който ще използва автоматизация и AI за оптимизиране на производството на тандемни панели. Междувременно CubicPV са готови с решението за нов завод за силициеви пластини с мощност 10 GW в САЩ, ход, който според него ще ускори развитието на тандемния подход.
„Тандемният подход извлича повече енергия от слънцето, като прави всяка слънчева инсталация по-мощна и ограничава най-лошите въздействия върху климата“, каза Ван Миерло. „Вярваме, че през следващото десетилетие цялата индустрия ще премине към този подход.“
В Европа Oxford PV също планират да започнат производство на тандемни модули. Те претендират за 28% ефективност и казват, че в момента се разработва многопластова клетка с 37% ефективност. Компанията строи фабрика за соларни клетки в Бранденбург, Германия, но със забавяне поради пандемията от коронавирус и проблемите във веригата за доставки. Все пак стартъпът, основан през 2010 г. и подкрепен от норвежката енергийна компания Equinor, китайския производител на вятърни турбини Goldwind и Европейската инвестиционна банка, се надява, че може да започне доставки тази година в очакване на регулаторно сертифициране. Технологията първоначално ще бъде на по-висока цена от конвенционалните силициеви клетки, тъй като тандемът предлага по-висока енергийна плътност, но компанията казва, че цената си заслужава заради срока на употреба.
Подходът на First Solar за тънкослоен кадмиев телурид оцеля след продължилото десетилетие разтърсване поради баланса между ниска цена и ефективност. Но сега виждаме тандемните клетки като ключ към бъдещето на соларната индустрия.
Caelux, Калифорния също се фокусират върху комерсиализиране на тандемни клетки. Подкрепен от VC Vinod Khosla и индийския енергиен, телекомуникационен и търговски конгломерат Reliance Industries. Caelux иска да работи със съществуващи компании за силициеви модули, като добавя слой перовскитно стъкло към конвенционалните модули, за да увеличи ефективността с 30% или повече.
Въпроси относно ефективността извън лабораторията
Перовскитите са изправени пред предизвикателства по отношение на разходите, издръжливостта и въздействието върху околната среда, преди да успеят да направят пробив на пазара. Една от най-добре представящите се версии е перовскити с оловен халид, но изследователите се опитват да формулират друг състав, за да избегнат оловната токсичност.
Мартин Грийн, изследовател на соларни клетки в Университета на Нов Южен Уелс в Австралия, вярва, че базираните на силиций тандемни клетки ще бъдат следващата голяма стъпка напред в соларната технология. Но той предупреждава, че не е известно дали работят достатъчно добре и извън лабораторията. Перовскитните материали могат да се разградят, когато са изложени на влага, проблем, с който изследователите имат известен напредък.
„Големият въпрос е дали тандемните клетки перовскит/силиций ще имат необходимата стабилност, за да могат да се продават“, каза Грийн, който ръководи Австралийския център за напреднали фотоволтаици. „Въпреки че е постигнат напредък, откакто бяха открити първите перовскитни клетки, единствените публикувани полеви данни за такива тандемни клетки с конкурентна ефективност предполагат, че те биха оцелели само няколко месеца на открито, дори когато са внимателно капсулирани.“
При скорошно полево изпитване на тандемни клетки тествани повече от година в Саудитска Арабия се установява, че те запазват повече от 80% от първоначалната ефективност на преобразуване - 21,6%. От своя страна Oxford PV казва, че техните соларни клетки са проектирани да отговарят на стандартна продължителност на живот от 25 до 30 години, когато се сглобят в стандартни фотоволтаични модули. Той казва, че неговите демонстрационни тандемни модули са преминали ключови индустриални стрес тестове за прогнозиране на живота на соларните модули.
Японски експерименти за перовскит
В Япония големи, равни площи земя, които могат да бъдат терен за соларни проекти, са трудни за намиране поради планинския терен на острова. Това е една от причините компаниите да разработват тънки, универсални перовскитни панели за използване върху стени и други части на сгради. По-рано тази година Sekisui Chemical и NTT Data инсталираха перовскитни клетки от външната страна на сгради в Токио и Осака, за да тестват ефективността им за една година. Междувременно производителят на електроника Panasonic създаде мастилено-струен принтер, който може да произвежда тънкослойни перовскитни клетки с различни размери, форми и непрозрачност, което означава, че те могат да се използват в обикновено стъкло, монтирано на прозорци, стени, балкони и други повърхности.
„Производството и потреблението на електроенергия на място ще бъде много полезно за обществото“, казва Юкихиро Канеко, генерален мениджър в Технологичния център за приложни материали на Panasonic. „За да постигне Япония целта си за декарбонизация, ще трябва да изграждаме по 1300 мегасоларни проекта всяка година. Ето защо смятаме, че вграждането на соларна енергия в прозорци и стени е най-доброто решение.“
Изложената на CES 2023, 30-сантиметровата квадратна клетка на Panasonic само с перовскит има ефективност от 17,9%, най-високата в света, според класация от Националната лаборатория за възобновяема енергия на САЩ. Производителят ще получи и голям тласък от регулациите в Токио, след обявеното изискване от 2025 г всички нови жилищни проекти в Токио да имат слънчеви панели. Panasonic казва, че има за цел да комерсиализира своите перовскитни клетки през следващите пет години.
Изобретателят на тези перовскитни клетки Миясака вярва, че производството на електроенергия на основата на перовскит ще представлява повече от половината от пазара на соларни клетки през 2030 г., не чрез замяна на силиций, а чрез нови приложения като изграждане върху стени и прозорци.
„Бързият напредък в ефективността на преобразуване на енергия беше изненадващ и наистина неочакван резултат за мен“, каза Миясака. „Накратко, това ще бъде голям принос за създаването на едно по-устойчиво общество.“