Группа южнокорейских учёных создала эластичные фотоэлектрические ячейки, которые в буквальном смысле можно натянуть на глобус. Если серьёзно, разработка найдёт применение в носимой электронике и робототехнике, поскольку может растягиваться до 40 % от своего первоначального размера и при этом обладает впечатляющим для эластичных фотопанелей КПД на уровне 19 %.

Источник изображения: KAIST / Joule

Эластичный фотоэлемент создали в Корейском институте передовых технологий (KAIST) на кафедре химической и биомолекулярной инженерии (CBE) под руководством профессора Бумджуна Кима (Bumjoon Kim). Работа об исследовании была опубликована в одном из декабрьских номеров журнала Joule.

Разработчики отметили, что в связи с быстрым ростом рынка носимых электрических устройств гибкие солнечные элементы, способные одновременно работать и растягиваться, привлекают значительное внимание в качестве источника энергии. Подобные фотоэлементы уже предлагаются учёными коллективами, но их КПД оставляет желать лучшего. Группа профессора Кима нашла решение и сообщает, что добилась наивысшей эффективности среди конкурирующих эластичных солнечных элементов.

С помощью химического связывания учёные совместили полимер с высокой степенью растяжимости с электропроводящим полимером с превосходными электрическими свойствами. Получился проводящий полимер высочайшей эластичности. Он выступил с роли подложки, на которою нанесли солнечные элементы из органического материала. Получившийся гибкий фотоэлемент показал КПД 19 % и способность растягиваться в 10 раз сильнее, чем существующие аналоги. Фактически фотоэлемент оказался способен увеличивать свою длину на 40 % и при этом продолжал оставаться в рабочем состоянии.

Профессор Ким сказал: «Благодаря этому исследованию мы не только разработали самый высокоэффективный в мире растягивающийся органический солнечный элемент, но также важно, что мы разработали новый полимер, который может быть применим в качестве основного материала для различных электронных устройств, который должен быть податливым и/или эластичным».

Компания Tesla согласилась выплатить более 6 млн долларов в рамках урегулирования коллективного иска, поданного клиентами, столкнувшимися с внезапным повышением цен на системы Solar Roof в 2021 году. Повышение цен привело к тому, что более 6300 человек расторгли свои контракты на установку солнечных панелей на кровлю с Tesla Energy.

Источник изображения: Tesla

Система Tesla Solar Roof ранее была известна как «солнечное стекло» (solarglass). Генеральный директор компании Илон Маск (Elon Musk) впервые представил эту систему в 2016 году как архитектурно привлекательную кровлю, которая генерирует энергию и выглядит так же хорошо, как черепица на доме без солнечных панелей. Позже выяснилось, что стеклянная солнечная черепица, которую он демонстрировал на презентации для акционеров, рассказывая о планируемом приобретении компанией Tesla компании SolarCity, оказалась бутафорией, а не рабочим прототипом.

Клиенты Tesla Solar Roof уже подписали контракты с компанией и готовились к установке систем в своих домах, как вдруг в 2021 году они были удивлены внезапным повышением цен, которое потребовало увеличения платежей для продолжения установки. В том же году компания Tesla повышала цены на свои солнечные установки как минимум дважды, а для клиентов, заказывающих солнечные панели или черепицу, обязательным условием стало приобретение домашней системы хранения энергии Powerwall.

Повышение цен не было незначительным. Главный истец по групповому иску Мэтью Аманс (Matthew Amans) обнаружил, что цена его солнечной крыши выросла с примерно 72 000 долларов по первоначальному контракту до 146 000. По состоянию на конец июня 2023 года, внезапное изменение стоимости системы привело к расторжению контрактов на установку солнечных крыш с Tesla Energy более чем 6300 клиентами.

К началу 2023 года компания Tesla установила в США всего 3000 своих систем Solar Roof с момента презентации технологии за семь лет до этого. К первому кварталу 2023 года общий объём развёрнутых солнечных установок Tesla составил 67 МВт, что соответствует 40 % росту за год. В то же время рост продаж систем хранения энергии Tesla в первом квартале 2023 года составил 360 % по сравнению с предыдущим годом, что свидетельствует о том, что доходы энергетического подразделения Tesla в большей степени зависят от резервных батарей для домашних и коммунальных систем, чем от солнечных установок.

Учёные из Национального университета Сингапура (NUS) сообщили о взятии очередной планки в эффективности солнечных ячеек из перовскита. Одиночный элемент площадью 1 см² показал КПД на уровне 24,35 %. Рекорд подтверждён независимыми экспертами и зафиксирован изданием Progress in Photovoltaics Research and Applications.

Источник изображения: NUS

Предыдущий рекорд для одиночных перовскитных фотоэлементов площадью 1 см² составил 23,7 % КПД. Новая работа продвинула ячейку вперёд на неполный процент, но она оказалась намного интереснее по другому параметру — по надёжности работы в реальных, а не в лабораторных условиях. По крайней мере, так заявили разработчики. И дело вот в чём.

Солнечные ячейки и перовскитные в частности создаются по двум основным схемам: обычной и инвертированной. Конструктивно они отличаются порядком чередования полупроводниковых слоёв. В случае обычной схемы сразу после стекла идёт электронно-проводящий слой, затем слой перовскита и сверху дырочно-проводящий слой. В инвертированной схеме дырочно-проводящий слой первым лежит на пути света, а электронный — последним.

Источник изображения: OSSILA

Самый высокий КПД показывали обычные ячейки, а самыми стабильными в работе были инвертированные. Сингапурские учёные смогли создать инвертированную перовскитную солнечную ячейку с КПД выше, чем у обычной. Тем самым они представили не только элемент повышенной эффективности преобразования света в электричество, но также обещают более долговечную его работу.

Впрочем, исследователи из NUS пока разрабатывают технологию ускоренного старения своей ячейки, чтобы доказать гарантированную возможность её работы свыше 25 лет, без чего массовое производство даже не стоит затевать. Также учёные будут продумывать перенос технологии на производство ячеек большой площади.

Издание South China Morning Post сообщает, что учёные из Нанкинского университета создали самую эффективную в мире солнечную ячейку из двух слоёв перовскита. КПД новой ячейки достиг значения 29 %. Но самое интересное, что учёные создали компанию для начала массового производства перовскитных солнечных элементов, линии которой разовьют достаточную мощность уже к сентябрю этого года.

Источник изображения: Nanjing University

Группа китайских исследователей побила собственный рекорд, установленный в июне прошлого года. Тогда КПД тандемной перовскитной ячейки достиг 28 %. За год группа улучшила результат и теперь заявляет о достижении самой высокой в мире эффективности для данного типа ячеек — на уровне 29 %.

Отметим, тандемные ячейки из перовскита и кремния показывают более высокие результаты. По последним данным — это 33,2 %. Тем не менее, тандемные ячейки из одного лишь перовскита, точнее, из двух соединённых друг с другом перовскитных плёнок, в перспективе обещают оказаться предпочтительнее иных вариантов.

Перовскит при массовом производстве будет дешевле кремния. Китайцы, например, рассчитывают снизить цену на солнечные ячейки из перовскита в два раза по сравнению с кремниевыми. Кроме того, ячейки из перовскита можно выпускать по струйной технологии и делать их очень и очень тонкими, а это даст возможность наложить плёнку на поверхность едва ли не любой кривизны.

Добиться рекордного КПД для тандемной ячейки из одного лишь перовскита учёные смогли благодаря оптимизации промежуточного слоя, который должен был быть максимально прозрачным и обладать максимально возможной проводимостью для электронов. Верхний слой перовскита в тандеме был подобран для поглощения более коротких длин волн солнечного света, а нижний — более длинных.

Имитация длительного времени службы показала, что новые ячейки сохраняют эффективность на уровне 90 % после 600 часов непрерывной работы под солнечным светом.

Для коммерческого продвижения разработки учёные создали стартап Renshine Solar. В этом году компания подписала соглашение о совместном промышленном проекте с правительством города Чаншу в провинции Цзянсу и построила производственную линию, которая должна достичь мощности 150 МВт уже к сентябрю (в новости не уточняет, но это скорее, годовая мощность производства). О перовскитных ячейках много говорят учёные, и было бы интересно увидеть их в живой природе.

Международная группа учёных во главе с китайскими академиками разработала технологию производства гибких фотоэлектрических панелей из обычного кристаллического кремния. Ранее присущая кремнию хрупкость не позволяла мечтать о подобном, заставляя учёных искать гибкость в перовскитах и сложных химических соединениях. Теперь же отказ от экзотики сэкономит средства и позволит быстро внедрить новинку в носимой и другой электронике.

Источник изображения: Nature

О перспективной разработке учёные из Шаньянского института микросистем и информационных технологий (SIMIT), китайского Университета Tongwei (TW), Университета науки и технологий Чанша, Юго-Западного нефтяного университета, Университета Сухоу и Университета Бэйхан сообщили в статье, опубликованной в журнале Nature. Работе предшествовало тщательное изучение поведения обычных кристаллических фотоэлектрических ячеек под физической нагрузкой. Детальное изучение процессов образования трещин в материале позволило выявить слабые места и устранить их.

Оказалось, что под физической нагрузкой на изгиб трещины в солнечных ячейках из кристаллического кремния начинают образовываться в районе кромки. В профиль структура материала в таких местах напоминает зигзаг с острыми пиками и впадинами. Уточним, речь идёт о так называемых гетеропереходных солнечных ячейках, когда кристаллический кремний обволакивается с обеих сторон тонкоплёночным слоем аморфного кремния. Такая конструкция повышает КПД. В то же время в структуре ячейки появляются зигзагообразные переходы от одного материала к другому.

Учёные догадались сгладить острые переходы в материале, придав пикам и впадинам U-образную форму. Для этого потребовалось разработать специальный техпроцесс, и он был испытан на реальном производстве. Испытания показали, что изменение структуры кремния только в кромке фотоячейки резко повышает прочность кристаллического кремния на изгиб. При этом по всей рабочей поверхности ячейки материал не подвергался изменению, что позволяет удержать КПД ячейки почти на прежнем уровне.

Эффективность изготовленной новым способом гибкой гетеропереходной солнечной ячейки оказалась на уровне 23,3 %. Дополнительное нанесение на ячейку антибликового покрытия на основе фторида магния (MgF₂) повысило её КПД до 24,50 %. Для сравнения, эффективность классической «толстой» гетеропереходной солнечной ячейки достигает 25,83 %. Новинка потеряла совсем немного, но приобрела гибкость — качество, востребованное для производства носимой электроники, аэрокосмических солнечных элементов и, в целом, для массы нужд в солнечной энергетике, где присущая кремнию жёсткость зачастую мешала внедрению.

Наконец, предложенная технология производства позволит сэкономить на кремнии и сделать фотоэлектрические ячейки из кристаллического кремния дешевле, что также будет означать снижение стоимости выработки электроэнергии этими ячейками.

В новой статье в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells учёные НИТУ МИСИС представили промышленные прототипы перовскитных солнечных элементов с рекордным КПД при разном сочетании цветов света — 36,1 %. Это позволит с одинаковой средней эффективностью вырабатывать электричество как от Солнца, так и от любых искусственных источников света. Технология готова к промышленному внедрению и ждёт своего заказчика.

Источник изображений: НИТУ МИСИС

Подчеркнём, уникальность предложенного решения в способности вырабатывать электричество с максимальной эффективностью при произвольном сочетании цветов в спектре. Это может быть ранее утро, слепящий полдень или закатные лучи. Также новому элементу без разницы, какие лампы светят в помещении: светодиодные или люминесцентные — во всех случаях его КПД будет, возможно, не рекордным, но определённо выше, чем у аналогов.

Исследователи из Университета науки и технологий МИСИС изготовили прототип перовскитного солнечного элемента с повышенным содержание брома, который оказался в 2,5 раза эффективнее кремния в условиях разного сочетании цветов света. При «тёплом» освещении созданный учёными материал показал максимальный возможный на данный момент коэффициент полезного действия (КПД) для перовскитной фотовольтаики — 36,1 %.

«Перовскит с повышенным содержанием брома крайне эффективно преобразует цвета различных цветовых температур в электроэнергию при так называемом горячем освещении (1700 Кельвин). Бром, в данном случае, помогает сдвигать край спектра поглощения в область высокоэнергетических фотонов», — рассказала соавтор работы, инженер лаборатории Перспективной солнечной энергетики Университета МИСИС Нигина Талбанова.

Основной точкой приложения новой разработки исследователи считают выработку электроэнергии в помещениях. Там спектр всегда случайный и разноплановый. Датчики для «умного» дома вполне подходят для оснащения подобными фотоэлементами. К тому же, перовскит легко наносится на гибкую основу, включая пластик. И самое главное, разработка готова к промышленному масштабированию. С научными прорывами такое бывает довольно редко.