Британская компания Power Roll совместно с учёными Университета Шеффилда сообщила о прогрессе в рулонном производстве солнечной плёнки из перовскита. Улучшенный процесс обещает снижение стоимости тонкоплёночных солнечных панелей и более высокий КПД выработки электричества. Такие панели в виде плёнки можно будет наклеить куда угодно, превратив любую свободную поверхность в генератор энергии.

Источник изображений: Power Roll

Компания Power Roll работает над технологией рулонного производства солнечных плёнок из перовскита с 2012 года. Задача компании — создать техпроцесс максимально недорогого и быстрого выпуска больших объёмов солнечных панелей. Рулонный способ проката подходит для этого идеально. В Power Roll уверены, что в скором будущем они смогут производить объём тонкоплёночной продукции достаточный для выработки 1 ГВт солнечной энергии.

Сотрудничество с учёными Университета Шеффилда помогло ещё немного приблизить эту мечту. Совместная работа привела к пересмотру конструкции ячеек. Все токопроводящие контакты были перенесены на обратную сторону плёнки, чтобы они не заслоняли свет перовскитным ячейкам. Это традиционный подход при производстве солнечных панелей — с контактами на обратной стороне. Используя этот опыт, Power Roll повысила КПД панелей на 12,8 %, а также избавилась от индия в составе токпроводящих контактов, что сделает производство дешевле.

Интересен способ изготовления тонких панелей Power Roll. В процессе обработки на них происходит своего рода тиснение, которое делает в материале множество параллельных микроканавок. На одном квадратном метре находится 500 000 микроканальных структур, покрытых проводящими материалами и фотоактивными чернилами из перовскита. Слои защитной плёнки позволяют печатным рулонам оставаться стабильными и повышают их долговечность.

Можно предположить, что микроканальная структура позволяет лучше собирать непрямой свет, а также делает материал устойчивым к деформациям. Разработка выглядит интересной, но пока команда не готова говорить о переходе к массовому производству. Образцы всё ещё тестируются с применением рентгеновских сканеров, что даёт возможность отладить техпроцесс равномерного нанесения слоёв и избежать дефектов в случае массового производства.

Учёные из Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца (HZB) и исследователи из Берлинского университета имени Гумбольдта (Humboldt University Berlin) сообщили о регистрации рекордного КПД новых тандемных солнечных ячеек, использующих перовскит и соединение CIGS. Оба материала позволяют создавать тонкоплёночные ячейки, поэтому даже в паре они остаются гибкими.

Источник изображения: HZB

В изготовлении новых тандемных солнечных ячеек участвовали исследователи обоих учреждений. Учёные из HZB создали контактные слои, включая базовый слой под элементом, а также нижний чувствительный слой из меди, индия, галлия и селена, который обозначается аббревиатурой CIGS. Исследователи из HZB также изготовили верхний слой — перовскитный. Контактный слой, соединяющий перовскит и CIGS, был разработан и произведён в совместной лаборатории. Именно он обеспечил прорыв — наивысшую эффективность среди аналогичных решений.

При испытаниях новый тандемный элемент продемонстрировал КПД на уровне 24,6 %. Рекорд подтвердил уполномоченный Институт солнечных энергетических систем Фраунгофера во Фрайбурге (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE in Freiburg). Исследователи заявили, что созданные ими тандемные перовскит-CIGS ячейки обладают потенциалом эффективности до 30 % и выше, который они попытаются раскрыть в дальнейшей работе.

Учёные из Института науки и технологий Тэгу Кёнбук (DGIST) в Южной Корее представили гибрид солнечной панели и суперконденсатора, что даёт ряд преимуществ по сравнению с традиционными солнечными панелями. Прежде всего, гибридные панели способны отдавать большую мощность потребителю, чем не могут похвастаться обычные панели. Также встроенные в панели суперконденсаторы способны накапливать энергию на месте, улучшая эффективность солнечной системы.

Источник изображения: DGIST

Исследовательская группа значительно улучшила производительность существующих аналогов суперконденсаторов за счёт использования электродных материалов на основе переходных металлов (таких, как марганец, кобальт, медь, железо, цинк и другие) и предложила новую технологию накопления энергии, которая сочетает суперконденсаторы с солнечными элементами. Предложенная технология значительно улучшила производительность устройств хранения энергии, продемонстрировав значительные достижения в области плотности энергии, мощности и стабильности заряда и разряда.

Достигнутая в исследовании плотность энергии составляет 35,5 Вт·ч/кг, что значительно выше, чем накопление энергии на единицу веса в предыдущих исследованиях (5–20 Вт·ч/кг). Плотность мощности достигает внушительных 2555,6 Вт/кг, что значительно превышает значения, полученные в предыдущих исследованиях (до 1000 Вт/кг). Разработка демонстрирует способность быстро высвобождать большую мощность, обеспечивая немедленную подачу энергии даже для мощных устройств. Кроме того, отмечены незначительные потери в ёмкости при повторных циклах зарядки и разрядки, что подтверждает пригодность устройства к длительному использованию.

Наконец, эффективность встроенной системы накопления достигла 63 % и общего КПД на уровне 5,17 % при освещении 10 мВт/см² (это примерно в 10 раз слабее, чем в среднем от солнца в безоблачный день). В этих параметрах исследователи видят большой потенциал для будущих коммерческих разработок, но они, безусловно, нуждаются в дальнейшем улучшении, прежде чем попадут на рынок.

Группа европейских учёных во главе с исследователями из Международного университета Каталонии (UIC) впервые интегрировала перовскитные солнечные элементы в строительные материалы для облицовки зданий и возведения стен. «Солнечный кирпич» разработан для простых приёмов при монтаже без необходимости кладки на цемент. С его помощью можно будет создавать собирающие солнечную энергию фасады и крыши, напрямую вовлекая архитектурные решения в генерацию.

Источник изображений: Universitat Internacional de Catalunya

Исследователи проработали вопрос интеграции перовскитных элементов со сторонами 99 × 99 мм в кирпичи из так называемой текстильной керамики. Это панели с рельефом, напоминающим грубую ткань. В ЕС в 2011 году была запатентована уникальная конструкция кирпича и технология его сухой кладки с фиксацией на стальной арматуре. Технология позволяет рабочим без особой квалификации быстро облицовывать фасады и стены, включая покрытие поверх теплоизоляции.

Исследователи представили экспериментальный солнечный кирпич со сторонами 300 × 117 мм. Солнечный элемент устанавливается на него всухую в процессе крепления на L-образные стальные контакты, утопленные в керамику. От контактов идут стальные дорожки вверх и вниз для соединения с выше и ниже лежащими элементами (кирпичами). Соединение производится электросваркой. Позже выяснилось, что канавки в кирпичах оказались самым слабым местом конструкции — они увеличивали риск растрескивания кирпичей, и этот момент потребует доработки для вывода разработки на рынок.

Электросварка также оказалась неидеальным решением. При тестировании стены из солнечных кирпичей на вибрацию на частоте 10 Гц одно из мест сварного соединения разрушилось. Очевидно, надёжность соединений также необходимо изучить более тщательно.

В целом, было установлено, что солнечный кирпич хорошо зарекомендовал себя «в общих чертах» с точки зрения возможностей выхода на рынок, при этом основная проблема заключалась в разрушении керамических изделий. «В будущих исследованиях необходимо пересмотреть дизайн солнечного кирпича», — заключили учёные.

Компания Softbank сообщила о завершении разработки рекордно лёгких сверхтонких гетеропереходных солнечных панелей из кремния. Панели разрабатываются для питания летающих стратосферных платформ, способных заменить вышки сотовой связи в труднодоступных уголках планеты. Лёгкая панель весом 665 г/м² с КПД 22,2 % стала промежуточным этапом для достижения целевого показателя 500 г/м².

Источник изображения: Softbank

Стратосферные платформы связи, или HAPS (high altitude pseudo satellite) представлены в основном дирижаблями. Гибкие солнечные элементы будут крепиться на покатые спины и бока этих воздушных громадин. Элементы должны быть лёгкими и достаточно эффективными, но недорогими. Именно поэтому компания Softbank остановилась на кремнии. В космонавтике уже нашли применение лёгкие многослойные солнечные элементы с использованием более эффективных, чем кристаллический кремний, материалов, но они на три порядка дороже, что делает применение космических технологий на Земле нецелесообразным.

Созданный по заказу Softbank китайской компанией LONGi и японской Fujipream Corporation гибкий гетеропереходный солнечный элемент состоит из защитного листа, фотоэлементов, герметика и заднего защитного листа толщиной, соответственно, 25 мкм, 80 мкм, 150 мкм и 50 мкм. Для соединения фотоэлементов друг с другом использован медный проводник толщиной 250 мкм с пайкой низкотемпературным припоем. Созданная таким образом солнечная панель размерами 563 × 584 мм весит всего 218,5 г. Панель площадью 1 м² будет весить 665 г. Измеренный КПД панели составил 22,2 %.

Компании LONGi и Fujipream изучают варианты по дальнейшему снижению веса солнечных элементов для стратосферных летающих платформ. На очереди барьер 500 г/м². В случае массового производства подобных панелей они пригодятся для множества применений на Земле — в строительстве, автомобилестроении и в других сферах, где свободные, но неровные поверхности смогут собирать энергию солнечного света.

Европейский орбитальный эксперимент OOV-Cube на высоте 933 км показал высокую устойчивость тонкоплёночных тандемных перовскитных солнечных элементов к радиации. В этом плане они оказались не хуже традиционных кремниевых элементов и при этом сулят повышение эффективности космических солнечных установок с 22–25 % до 35 % и даже до 45 %. Более того, тандемные перовскитные элементы доказали возможность самовосстановления, что само по себе дорогого стоит.

Источник изображений: ESA

Миссия OOV-Cube (On-Orbit Verification Cube, проверочный орбитальный куб) проводится с участием Европейского космического агентства, которое обеспечило запуск небольшого спутника на орбиту в июле 2024 года. Производством спутника занималась компания Rapid Cubes GmbH. На себе он несёт несколько экспериментальных фотоэлектрических панелей двух типов, и все они с перовскитными плёнками: одни элементы состоят из слоёв перовскита и кремния, а другие — из перовскита и CIGS (селенида меди индия галлия). Сами элементы созданы группой учёных из Потсдамского университета, исследовательского центра Helmholtz-Zentrum Berlin и Технического университета Берлина.

Тандемные солнечные элементы позволяют собрать больше света в расширенном диапазоне чувствительности. В обоих случаях перовскит поглощает фотоны сине-зелёного спектра, а кремний и CIGS — красного и инфракрасного, чем достигается более высокий уровень КПД тандемных ячеек. Хотя вопросы относительно долговечности перовскита остаются, испытания на орбите показали, что перовскитно-кремниевые тандемные панели деградируют так же, как традиционные кремниевые модули, что снимает некоторые из опасений относительно того, что они могут портиться быстрее.

Высота орбиты OOV-Cube выбрана такой, что спутник летает в ближайшем к Земле поясе Ван Аллена, где наиболее высока радиация. Это сделано специально, чтобы испытать способность перовскитных элементов восстанавливать повреждения самостоятельно. Первые результаты обнадёживают.

Команда учёных под руководством исследователей из Мадридского университета Комплутенсе (Universidad Complutense de Madrid) создала первый в мире солнечный элемент с использованием фосфида галлия и титана. Это соединение способно почти вдвое превзойти по эффективности кремний, обещая для одиночного p-n-перехода предельный КПД вблизи 60 %.

Источник изображения: Universidad Complutense de Madrid

«Наша группа занимается исследованиями этих элементов уже более 15 лет, — рассказал изданию PV Magazine ведущий автор исследования Хавьер Олеа Ариза (Javier Olea Ariza). — Мы опубликовали первую статью в серии [работ] в 2009 году, а в нашей последней статье мы перешли к созданию первых реальных устройств. Устройства пока работают плохо, и их текущая эффективность очень низкая. Хотя требуется дополнительная работа, теоретический потенциал этих элементов может достигать эффективности около 60 %».

Самый популярный материал для производства солнечных элементов — это кремний. Ширина запрещённой зоны кремния составляет 1,1 эВ (электронвольт). Согласно пределу Шокли—Квиссера это даёт максимально допустимый теоретический предел КПД для одиночного p-n-перехода из кремния около 32 %. Выше этой величины простым способом большей эффективности для солнечной панели не получить. Необходимо накладывать друг на друга несколько переходов для поглощения разных диапазонов света либо, например, фокусировать свет — повышать его интенсивность тем или иным способом.

Если учёные смогут развить одиночные переходы на основе GaP:Ti, то с его запрещённой зоной шириной 2,26 эВ эффективность преобразования одиночного перехода обещает подняться до 60 %. Но пока проделана только малая часть работы, чтобы двигаться в сторону этого невероятного результата. Учёные лишь зафиксировали, что ранний прототип GaP:Ti-элемента площадью 1 см² способен эффективно поглощать фотоны для фотоэлектрических преобразований как ниже 550 нм, так и в узкой полосе выше этой отметки. По всей видимости, за последнее в ответе титан. Исследователи начнут работать над созданием прототипа нового элемента с более высоким КПД, с которым уже можно будет задумываться о чём-то большем, чем кремний.

Группа европейских учёных создала инновационный гибридный солнечный элемент, который будет на месте запасать энергию для расхода в тёмное время суток. Новая разработка сочетает рекордную в своей области эффективность и экологическую чистоту, используя широкодоступные материалы без дефицитных редкоземельных элементов и дорогих металлов. Общая эффективность фотоэлемента составляет скромные 14,9 %, но продукт можно развивать дальше.

Источник изображений: UPC/Paulius Baronas

Учёные из Технологического университета Чалмерса в Швеции (Chalmers University of Technology) и Испанского политехнического университета Каталонии в Барселоне (UPC) решали две задачи. Во-первых, нужно было снизить рабочую температуру кремниевого фотоэлемента, чтобы его КПД не снижался из-за перегрева — нагрев может уменьшить эффективность на 10–25 %. Во-вторых, аккумулирование энергии должно было происходить без использования редких химических элементов. Следует помнить, что любой фильтр снижает КПД фотоэлемента, что является дополнительной задачей для разработчиков.

Исследователи использовали обычную кремниевую фотоячейку, но сверху разместили прозрачный элемент для микроциркуляции жидкости. Эта жидкость обладала свойством изменять молекулярную структуру под воздействием ультрафиолетового и видимого света. Учёные назвали эту надстройку молекулярным накопителем солнечной тепловой энергии (MOST). Энергия накапливалась в виде изменения молекулярных связей в жидкости. Для высвобождения энергии нужно было восстановить прежние связи. Жидкость могла использоваться до 1000 раз или около трёх месяцев непрерывной работы.

Эффективность накопления энергии в молекулярных связях составила рекордные 2,3 % для этого метода. Одновременно жидкость охлаждала кремниевую фотоячейку, на поверхности которой она находилась. При температуре прямого нагрева до 39 °C жидкость снижала температуру кремниевого элемента на 8 °C, что повышало его эффективность на 0,2 % (до 12,6 %). Суммарная эффективность гибридного элемента составила 14,9 %. Поскольку каждую из составляющих можно улучшить, в будущем эффективность может достичь коммерчески приемлемого уровня, обеспечивая дополнительные преимущества: повышенную эффективность, долговечность и относительную дешевизну.

Очевидно, что эффективность и продуктивность солнечных панелей на открытом пространстве и в условиях городской застройки будут существенно различаться. Но пока что никто не предлагает солнечные панели, работающие в тени или от рассеянного света. Возможно, первый шаг в сторону «городских» солнечных панелей сделали учёные из Южной Кореи, которые создали необходимый для этого аналитический аппарат.

Источник изображения: Korea Electrotechnology Research Institute (KERI)

Исследователи последовательно двигались к математически обоснованной оценке существующих панелей с учётом множества неблагоприятных факторов: от падения рассеянного света до неоптимальных углов падения и отражения света от поверхностей с различными отражающими свойствами. Главный вывод, который позволила сделать даже явно неполная и несовершенная модель заключается в том, что солнечные панели для города и помещений не должны быть плоскими.

Уже существуют работы, в которых предлагаются мозаичные фотоэлементы на гибкой основе или на основе с памятью формы. Нечто подобное, в первом приближении, создала группа учёных из Корейского научно-исследовательского института электротехники (KERI), которая предварительно провела расчёты с помощью нового аналитического инструмента. Эксперимент в лаборатории показал, что фотопанель в виде трёхмерного объекта без защитного стекла и с функцией самоконтроля способна вырабатывать на 60 % больше энергии, чем обычная плоская панель.

Исследователи не утверждают, что их панель станет идеальной для использования в помещениях или в городской застройке. Однако предложенный ими аналитический инструмент, который учитывает даже тип и вид элементов освещения и уровень пыли в воздухе, поможет при разработке наиболее оптимальных конструкций солнечных панелей для города. Отдельный интерес представляет раздел этого инструмента, который позволяет проектировать солнечные панели для установки на транспортные средства, где условия освещения почти всегда или часто будут далеки от идеала.

Учёные Университета МИСИС и Института синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова (ИСПМ РАН) представили органические полупроводники для солнечных перовскитных модулей, которые при низком освещении увеличивают мощность выработки до 90 %, а КПД на 2,42 %. Подобный тип солнечных батарей позволит эффективно вырабатывать электроэнергию вдали от солнечных регионов, в условиях плотной облачности и даже внутри зданий.

Источник изображений: Journal of Power Sources

Исследователи занимались вопросом повышения эффективности и практической надёжности солнечных элементов из таких тонкоплёночных структур, как галоидные перовскиты. Это нанокристаллический перовскитный поглотитель, который размещается между слоями переноса заряда. Такая структура способна вырабатывать больше энергии, чем кремний, и обещает быть дешевле в производстве. Максимальный КПД, который учёные смогли достигнуть в лаборатории, сегодня составляет 26,1 % и продолжает расти.

Перовскитные материалы и галоидные соединения в частности очень чувствительны к внешней среде — температуре, влажности, освещению и прочему. Поэтому во всём мире учёные ищут возможность защитить их от коррозии и химического (фотохимического) разрушения, без чего коммерческая эксплуатация подобных фотоэлементов будет невозможна. Российские учёные также двигались в этом направлении. В ходе исследований коллектив учёных МИСИС и ИСПМ РАН синтезировал органический самособирающийся монослойный материал, который оказался химически совместим с перовскитными соединениями и обладал необходимыми защитными функциями.

По сути, учёные создали технологию образования упорядоченной (защитной) молекулярной структуры толщиной в одну или несколько молекул, образующейся при поглощении активных веществ с поверхности. Такие активные вещества образуются естественным образом под воздействием тепла и света. Например, это могут быть летучие соединения йода и другие побочные продукты, которые вызывают коррозию и окисление. Исследователи смогли обратить этот негативный эффект себе на пользу, заставив его работать на создание защитного слоя.

Химическую работу при самосборке монослоя производит состав на основе трифениламина с карбоксильной связующей группой. Его применение также улучшило перенос заряда между перовскитными поглотителями и неорганическими слоями.

«Новый самособирающийся монослой — один из наиболее простых с точки зрения синтеза. Подобные материалы широко применяются благодаря высокой стабильности и адгезии. Однако для получения материала важно учитывать ряд требований. Среди них: термическая, фото- и электрохимическая стабильность, подходящий уровень молекулярной орбитали для переноса положительно заряженных носителей заряда с перовскита на электрод и химическая совместимость между покрытиями. Также важно избегать "паразитического" поглощения энергии при прохождении солнечных лучей через трёхслойную структуру материала», — рассказала сотрудница лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС Екатерина Ильичёва.

Выяснилось, что после образования монослоя эффективность носителей заряда выросла, а также снизилась потеря энергии. Тесты при естественном свете показали, что перовскитные элементы с монослоем сохраняют до 98 % своей первоначальной производительности после 1000 часов работы, тогда как необработанные устройства теряют более 20 % мощности уже через 400 часов. Результаты исследования подробнее описаны в журнале Journal of Power Sources.

«В ходе исследования мы также изготавливали перовскитные солнечные модули с применением новой технологии. Их КПД вырос с 13,22 % до 15,64 %, а при низком освещении максимальная мощность увеличилась на 47–90 %. Мы выяснили, что монослой значительно снижает количество дефектов и усиливает взаимодействие между слоями, что ведёт к более стабильной работе перовскитных солнечных элементов. Кроме того, обработанные образцы оказались менее подвержены влиянию внешних факторов, таких как свет, влага и температура», — поделилась Полина Сухорукова, инженер лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС, исследователь лаборатории полимерных солнечных батарей ИСПМ РАН.

Работающие в условиях слабой освещённости солнечные панели и панели для работы внутри помещений — это одно из важных направлений в фотовольтаике. В условиях плотной городской застройки солнечный свет редкий гость на улицах городов. Фотопанели для выработки электрической энергии в таких условиях будут востребованы и сыграют свою роль в сфере возобновляемой энергетики.

Мы часто пишем о рекордах в сфере повышения эффективности солнечных ячеек, но купить их можно будет ещё нескоро. А что же предлагается сегодня? На выставке в Германии китайская компания Aiko Solar показала лучшую по энергоэффективности модель на рынке, которая вот-вот поступит в продажу.

Источник изображения: pv magazine

Производитель представил Солнечные панели Comet 3-го поколения мощностью до 650 Вт, которые появятся в продаже в четвёртом квартале 2024 года, и предложат наивысшей в мире эффективностью на уровне 25,2 %. Новинки основаны на технологии элементов с обратным контактом (ABC). Соединяющие ячейки медные проводники перенесены на обратную сторону панели. Также компания собирает панели с частичным перекрытием кремниевых ячеек друг друга (на 0,3 мм), что увеличивает площадь рабочего кремния панели на 0,5 % и даёт возможность собирать на 1,1 % больше света в сочетании с переносом соединения на обратную сторону панелей. Это также повышает эффективность работы новых панелей в условиях частичного затенения.

В продаже будут доступны пять версий новой серии модулей с выходной мощностью от 625 Вт до 650 Вт и КПД от 24,2 % до 25,2 %. Напряжение холостого хода панелей составит от 54,49 В до 54,99 В, а ток короткого замыкания — от 14,60 А до 15,00 А. Размеры панелей будут равны 2278 × 1134 × 30 мм, а вес — 27 кг.

Все панели изготовлены из закаленного стекла толщиной 3,2 мм с антибликовым покрытием и алюминиевых рам. Панели заключены в корпус с защитой IP68, а максимальное системное напряжение достигает 1500 В. Новые панели имеют температурный коэффициент 0,26 %/°C и рабочую температуру в диапазоне от -40 °C до 85 °C.

Компания Aiko Solar предоставляет 30-летнюю гарантию на панели с предполагаемым снижением КПД на 1 % в течение первого года и гарантированной конечной выходной мощностью через 30 лет эксплуатации не менее 88,85% от номинальной мощности.

Современным кремниевым солнечным панелям не хватает гибкости в буквальном смысле этого слова. Они сравнительно толстые и поэтому тяжёлые, что мешает им попасть в авиацию и шире использоваться в носимой электронике. Для космоса это тоже важно, поскольку вывод на орбиту каждого килограмма стоит приличных денег. Возможно, с этим помогут учёные из Китая и Австралии, которые создали ультратонкие и гибкие панели из привычного кремния.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

На днях государственное китайское издание Science and Technology Daily процитировало профессора Цзянсуского университета науки и технологий (JUST) Ли Янга (Li Yang), который сказал, что солнечные элементы из кристаллического кремния, которые изготавливаются из кремниевых пластин, были и остаются наиболее зрелым и широко используемым решением для выработки электрической энергии, «но они сталкиваются с двумя основными технологическими узкими местами».

Одним из недостатков современных кремниевых фотопанелей является то, что эффективность преобразования энергии кремниевыми элементами большой площади остаётся ограниченной на уровне 26 %; другим препятствием является толщина элемента — обычно от 150 до 180 мкм, что затрудняет их использование в случаях, требующих более гибкого и лёгкого материала для установки на изогнутые крыши, спутники и космические станции.

Возглавляемая профессором Ли группа учёных из JUST, австралийского университета Кёртин и компании LONGi Green Energy Technology опубликовала в журнале Nature статью, в которой сообщила о создании из кристаллического кремния фотопанели толщиной около 50 мкм. Это тоньше, чем лист обычной писчей бумаги формата A4. Эту фотопанель нельзя согнуть пополам как лист бумаги, но можно изогнуть с достаточной степенью кривизны без разрушения.

Что важно, КПД ультратонкой фотопанели превысил 26 %. Учёные создали ещё несколько фотоэлементов толщиной от 55 до 130 мкм, и у всех у них эффективность превысила 26 %.

Профессор Ли сказал, что его группа работает над созданием более гибких и эффективных кристаллических кремниевых солнечных элементов, которые в один прекрасный день смогут стать такими удобными в использовании, как рулон пленки.

Учёные из Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) в Южной Корее создали самые эффективные на сегодня солнечные панели на основе квантовых точек. КПД этих солнечных элементов составил 18,1 %. Если сравнивать с кремнием, то это мало, но у последнего за плечами полвека исследований, тогда как квантовые точки начали изучать менее 15 лет назад. Перспективы у новой технологии головокружительные.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Солнечные элементы из кремния взаимодействуют со светом всей поверхностью. Квантовые точки преобразуют свет в поток электронов только там, где они нанесены — точечно, как следует из их названия. Следует помнить, что определение «квантовые» в данном случае относится к количественной величине, а не к качественной. Квантовая точка — это крохотная порция полупроводникового материала, который взаимодействует со светом (с фотонами).

Особенность использования порций — квантов — светочувствительного материала заключается в том, что они могут быть изготовлены разного размера и, следовательно, будут чувствительны каждая к своему спектру. Материал в виде квантовых точек можно наносить на подложку методом струйной печати на рулонах или с помощью разбрызгивания. Это намного проще и дешевле, чем выпускать солнечный элемент из кремния.

Наивысший теоретический КПД у квантовых точек из органических материалов. Также они более безопасны с точки зрения экологии. Но у них есть существенный недостаток — боязнь влажности и нагрева, включая нежелательное длительное нахождение под прямыми солнечными лучами. Учёные из Южной Кореи решали именно эту проблему, попутно пытаясь установить новый рекорд эффективности для солнечных ячеек на квантовых точках.

Если верить исследователям, они смогли повысить сопротивляемость квантовых точек погодным условиям. Для этого учёные воспользовались перовскитом, который уже зарекомендовал себя в фотовольтаике. Но в этот раз они нанесли на подложку массив из перовскитных квантовых точек, а не создали сплошной слой.

Часть диаграммы с достижениями в сфере фотоэлектрических ячейках. Квантовые точки обозначены ромбом. Источник изображения: NREL

Экспериментальные солнечные панели на квантовых точках из перовскита сохраняли эффективный уровень преобразования света в электрический ток в течение 1200 ч при нормальных условиях и 300 ч при нагреве до 80 °C. Уровень КПД достиг рекордного значения в 18,1 %, что зафиксировали в американской лаборатории NREL (выше на рисунке данные уже с указанием рекорда UNIST — это свежее обновление диаграммы). Предыдущий рекорд в 16,6 % КПД был поставлен фотопанелями на квантовых точках в 2020 году австралийским Квинслендским университетом. Идём к новым вершинам. Когда-нибудь кремний уйдёт в прошлое, а на его место придут, в том числе, солнечные панели на квантовых точках.

Учёные из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) вместе коллегами из Токийского технологического института обнаружили удивительное явление. Кратковременное воздействие фемтосекундным лазером на теллуритовое стекло превращало его в полупроводник, чувствительный к свету. Тем самым можно производить фоточувствительные стёкла без каких-либо дополнительных материалов и усилий, что учёные в шутку сравнили с алхимией.

Источник изображения: EPFL

«Это фантастика, мы на месте превращаем стекло в полупроводник с помощью света, — сказал один из авторов исследования Ив Беллуар (Yves Bellouard). — По сути, мы превращаем материалы во что-то другое, возможно, приближаясь к мечте алхимика».

Учёных заинтересовало поведение атомов в теллуритовом стекле (TeO₂) при воздействии на него сверхбыстрых импульсов высокоэнергетического лазерного излучения. Они обнаружили, что лазер в месте падения луча создаёт в толще стекла крошечные кристаллы полупроводниковых материалов теллура и оксида теллура. Это означает, что обработанные таким образом участки могут вырабатывать электричество под воздействием дневного света.

«Интересный поворот в этой технологии заключается в том, что в процессе не требуется никаких дополнительных материалов. Всё, что вам нужно — это теллуритовое стекло и фемтосекундный лазер для создания активного фотопроводящего материала», — добавил учёный.

В ходе эксперимента на полученный из Японии 1-см диск теллуритового стекла лазером был нанесён штриховой рисунок. Под воздействием света от ультрафиолетового и до видимого диапазона обработанный участок вырабатывал электрический ток, оставаясь месяцами стабильно работающим. Точно также на стекле можно создавать светочувствительные датчики и другие полупроводниковые схемы, используя для этого только источник лазерного света.

Рисунок можно наносить на месте на уже установленное стекло, превращая его в умное с необходимой функциональностью. Правда, обычные оконные стёкла для этого не подходят. Но если технологию подхватят производители, то это может привести к революции в архитектуре.

Япония и весь мир проиграли Китаю на рынке кремниевых солнечных панелей. По данным Международного энергетического агентства, китайские компании контролируют более 80 % в мировой цепочке поставок кремниевых солнечных панелей и ещё больше в сфере выпуска поликристаллического кремния для таких панелей. Переломить ситуацию можно только с помощью новых решений, которыми должны стать тонкоплёночные перовскитные солнечные панели.

Источник изображения: George Nishiyama/The Wall Street Journal

«Мы выиграли в технологии, но проиграли в бизнесе», — заявил Хироо Иноуэ (Hiroo Inoue), генеральный директор Японского агентства природных ресурсов и энергетики, добавив, что японские фирмы постигла аналогичная участь в производстве жидкокристаллических дисплеев и полупроводников. Но в Японии продолжают считать, что инженерный и научный персонал в стране всё ещё качественно опережает китайский.

Массовое производство тонкоплёночных перовскитных солнечных панелей может стать тем рычагом, который опрокинет доминирование Китая на рынке солнечных элементов. По крайней мере, власти Японии не жалеют средств, чтобы подтолкнуть отечественные компании к массовому производству перовскитных элементов. На эти цели, например, с недавних пор выделено свыше $400 млн и этим власти не ограничатся. В США также выделяются бюджетные средства на разработку перовскитных фотоэлементов.

Перовскитные фотоэлементы начали своё восхождение менее десяти лет назад. К сегодняшнему дню массовые кремниевые солнечные элементы имеют КПД не выше 22 %. Опытные перовскитные элементы, которые готовят к массовому производству, готовы стартовать с КПД от 25 %. К этому следует добавить намного менее энергоёмкое производство панелей с перовскитом, которое не требует обжига, как кремниевые пластины. Также перовскит может наноситься из жидкой фазы на плёнки, что позволит покрыть фотопанелями едва ли не любую поверхность. На ощупь они как фотоплёнка, только намного шире, говорят разработчики. Толщина перовскитного слоя составляет всего 1 мкм. Кремний раз в 20 толще и тяжелее. Это прошлый век, считают в Японии.

Одними из первых массовый выпуск фотопанелей из перовскита в Японии намерена начать компания Sekisui Chemical. Она будет выпускать перовскитные панели рулонами шириной 30 см. Строительство фабрики уже началось. Начало производства ожидается в 2025 году. Такие панели можно будет использовать также в помещении, собирая энергию от света везде, где только можно. Обычным солнечным панелям из кремния такое даже не снилось. Для гибких панелей есть столько места, что эта ниша будет ещё не скоро заполнена.

Важным моментом производства перовскитных панелей станет независимость от поставок сырья из Китая. Для Японии и других передовых стран это одно из самых больных мест. «Посмотрите, что Китай делает с полупроводниками. Это издевательство, — говорит учёный Цутомо Миясака, один из ведущих специалистов страны по перовскитам, имея в виду ограничения Пекина на экспорт редкоземельных элементов галлия и германия, используемых в чипах. — Компоненты из перовскитовых элементов могут быть изготовлены внутри страны».

В частности, для выпуска перовскитных фотоячеек требуется много йода. Япония является одним из крупнейших в мире поставщиком этого элемента. Треть йода на мировом рынке японского производства. Больше йода поставляет только Чили. Япония может не бояться зависимости от Китая в случае массового выпуска перовскитных ячеек.

Почти всё хорошо. Но значительным минусом перовскитных фотоэлементов остаётся их высокая чувствительность к влаге из окружающего воздуха. Это быстро приводит в негодность потенциально хорошие панели. Их нужно защищать от этого и японские учёные создали перспективный герметик, который не даёт панелям превратиться в слизь. Панели Sekisui Chemical смогут работать целых 10 лет и оставаться эффективными всё это время. Хвалёное долголетие кремниевых солнечных панелей, кстати, оказалось далеко от заявленных 25 лет. Они тоже начинают быстро деградировать после 10 лет эксплуатации.

Премьер-министр Японии Фумио Кисида пообещал сделать технологию производства перовскитных фотопанелей коммерчески жизнеспособной в течение двух лет. Япония импортирует около 90 % энергии и энергоносителей с тех пор, как закрыла большинство своих атомных станций после катастрофы на АЭС «Фукусима» в 2011 году. Цель Кисиды амбициозна, но японские инженеры и чиновники настроены оптимистично, ссылаясь на последние технологические достижения.

«Чем сложнее это [технология производства] будет, тем труднее китайцам будет скопировать её», — сказал Миясака, профессор Университета Тоин в Йокогаме и бывший сотрудник лаборатории компании Fujifilm в области солнечных технологий.