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.

Согласно исследованиям компании Wood Mackenzie, с момента начала продажи систем «солнечной кровли» Solar Roof семь лет назад, компания Tesla установила всего 3 тыс. таких комплектов в США, совершенно не оправдав даже собственные прогнозы.

Источник изображения: Tesla

Оказалось, что черепица из «солнечного стекла» устанавливается далеко не такими быстрыми темпами, как ожидалось раньше. В Wood Mackenzie отмечают, что в конце 2019 года Tesla заявляла о намерении выпускать по 1 тыс. комплектов Solar Roof еженедельно и устанавливать по 1 тыс. в неделю уже в начале 2020 года.

Результаты пока остаются обескураживающими. В целом попытка интегрировать в структуру Tesla бизнес SolarCity оказалась не вполне успешной. В первом квартале 2022 года среднее число установок Solar Roof в США достигло 32, а по итогам года оно и вовсе оказалось на уровне 21 установок.

Илон Маск (Elon Musk) занялся продвижением нового решения в октябре 2016 года, пытаясь заручиться поддержкой акционерами сделки по покупке SolarCity за $2,6 млрд. Позже миллиардер инвестировал в проект значительные средства. Известно, что группа акционеров Tesla даже судилась с Маском в связи с покупкой SolarCity, но не преуспела. Впрочем, уже подана апелляция в Верховный суд штата Делавэр.

Но, хотя проект «солнечной кровли» пока не увенчался успехом, традиционные солнечные панели компании становятся всё более востребованными на рынке. По словам аналитиков, если в 2021 году Tesla установила панели общей мощностью 156 МВт, то в 2022 — уже 248 МВт. При этом совокупная мощность систем Solar Roof, установленных в США, составила всего порядка 30 МВт.

Хотя изначально Tesla намеревалась выпускать солнечную черепицу самостоятельно, вместо этого она перешла к покупке фотоэлектрического стекла у китайского поставщика Almaden. В 2022 году, по данным Wood Mackenzie, на долю Tesla Solar Roof приходилось менее 0,03 % из около 5 млн новых кровель, установленных в США. Впрочем, после публикации данных, в Tesla Solar опубликовали твит, утверждающий, что результаты исследования в большой степени неверны.

В Китае планируют ограничить экспорт ключевых технологий для производства солнечных панелей. По мнению экспертов, это приведёт к задержке создания собственной производственной цепочки для данной отрасли в США. Китайские Министерство торговли и Министерство науки и технологий рассматривают ограничение экспорта ряда решений, применяемых для выпуска ключевых компонентов панелей.

Источник изображения: American Public Power Association/unsplash.com

На долю Китая сегодня приходится почти всё производство поликристаллического кремния, применяемого для выпуска солнечных панелей, да и большинство самих панелей выпускает Поднебесная. Также на эту страну приходится значительная часть производства оборудования для выпуска солнечных элементов — особенно для выпуска больших панелей, доминирующих на рынке.

Новые китайские нормы экспортного контроля должны будут «усилить управление экспортом и импортом технологий», они были анонсированы ещё в конце минувшего декабря. Когда Пекин примет окончательное решение, информация отсутствует. Если план будет принят, китайские производители солнечных панелей должны будут получать лицензии от властей на местах на экспорт соответствующих технологий. В США представители отрасли уже заявили, что предложенные ограничения наглядно демонстрируют необходимость быстрого масштабирования производства солнечных решений в США.

Известно, что кремний добывается из кремнезёма с последующим получением слитков, которые нарезаются для создания пластин панелей с последующей дополнительной обработкой для того, чтобы те могли преобразовать солнечный свет в энергию. Китайские ограничения экспорта касаются оборудования, используемого на промежуточных стадиях производства. Доминирование Китая в данной сфере вызывает серьёзную обеспокоенность в США, Европе и Индии, поскольку все регионы намерены активно развивать солнечную энергетику.

Как сообщает The Wall Street Journal, китайские компании контролируют примерно 80 % глобальной цепочки поставок для производства в данной сфере и выпускают около половины оборудования для производства солнечных панелей и их компонентов. Кроме того, только 3 % слитков и кремниевых пластин уровня, необходимого для солнечной энергетики, выпускаются за пределами Китая. Более того, по данным TrendForce, сегодня только китайские компании способны выпускать большие 182- и 210-мм пластины, на которые в 2023 году, по данным агентства, будет приходиться до 96 % рынка.

В прошлом году в США принят закон, в числе прочего поощряющий производство кремниевых слитков и пластин на территории страны, но пока такая продукция здесь фактически не выпускается. Многие крупные компании намерены вложить миллиарды долларов в развитие отрасли, предполагается, что производство будет налажено в ближайшие годы — техпроцесс очень похож на тот, что используется при создании кремниевых пластин для полупроводников.

Источник изображения: Sungrow EMEA/unsplash.com

Китай, похоже, не намерен мстить за ограничения на экспорт в страну полупроводников, но просто рассчитывает сохранить доминирующие позиции в отрасли и помешать иностранным компаниям создавать собственные производственные цепочки. При этом санкции Китая вряд ли будут столь разрушительными, как ограничения на экспорт чипов, вводимый в отношении Китая Соединёнными Штатами и их союзниками, поскольку технология выпуска солнечных панелей намного проще и у США имеется всё необходимое для создания собственного производства.

Впрочем, США всё равно грозят неприятности, поскольку невозможность быстрой организации выпуска больших панелей из-за отсутствия доступа к передовым технологиям скажется на себестоимости местных решений. Кроме того, поиск альтернатив китайской продукции может занять в некоторых случаях годы.

Известно, что в ответ на рост американских тарифов на ввоз в США панелей китайского производства, Пекин организовал строительство заводов на территории Юго-Восточной Азии, на которую приходится примерно 80 % импорта солнечных панелей для США. В декабре местное Министерство торговли обнародовало выводы о том, что китайские компании таким образом обходят тарифные ограничения, при этом по-прежнему выполняя наиболее высокотехнологичные процессы на территории Китая.

Команда учёных Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца (HZB) сообщила, что получила международный сертификат на самую эффективную в мире тандемную солнечную ячейку. Разработка HZB внесена в международный рейтинг и установила новую планку значения КПД для таких солнечных элементов, а именно 32,5 %.

Источник изображений: Eike Köhnen/HZB

Примечательно, что значение КПД на уровне знаковых 30 % впервые было преодолено летом этого года учёными из Швейцарии. Исследователи из Лозанны создали из перовскита и кремния тандемную солнечную ячейку с эффективностью 31,3 %.

В тандемных элементах каждый из двух расположенных один поверх другого слоёв — один из кремния, а другой из перовскита — поглощают свой спектр падающего света, делая это максимально эффективно в своём диапазоне фоточувствительности. Суммарная чувствительность не удваивается, но ощутимо выше, чем если бы использовался только один из материалов. Тем самым с одной и той же площади собирается больше энергии.

Новая тандемная фотоячейка HZB оптимизирована по «интерфейсу» и слоям. Учёные путём анализа структур подбирали как чередование фоточувствительных слоёв, так и их состав и состояние поверхностных слоёв. В каждом случае искали максимальный отклик материала. Слой из перовскита поглощал синюю составляющую спектра, а слой кремния — красную и инфракрасную составляющую в ближнем диапазоне.

Тонкая настройка элемента помогла добиться рекорда, на который теперь будут равняться учёные из других лабораторий. Ранее подобное значение КПД было достижимо только с использованием дорогих полупроводников из III/V групп таблицы Менделеева. Теперь в эту область ворвались дешёвые кремний и перовскит.