Перовскитные фотоэлементы на базе ячеек Гретцеля, новый шаг в развитии солнечной энергетики

перовскитный фотоэлемент

Что может быть лучше, чем использовать энергию солнца для выработки электричества? Экологично, доступно в удаленных районах без необходимой инфраструктуры. И энергия бесплатная? К сожалению, совсем не бесплатная.
Основная проблема любых альтернативных источников энергии – их цена. Бесплатность энергии солнца или ветра, иллюзорна. Само устройство, генерирующее энергию из окружающего пространства, чего то стоит. Плюс к этому, оно тратит пространственные ресурсы, занимая определенные площади поверхности земли. И если учесть все эти затраты, вычесть упущенную выгоду (например, на этих площадях можно было заниматься земледелием), оценить наработку на отказ этих «бесплатных» устройств, необходимость сопутствующего оборудования для транспортировки и накопления электроэнергии, то «бесплатность» улетучивается. И на сегодняшний день стоимость получения энергии с помощью солнечных батарей намного превышает стоимость традиционной энергетики. Также необходимо учитывать и территориальный аспект: одно дело безоблачное небо Сахары, а другое заполоненное тучами небо Лондона. То, что может с успехом применяться в слаборазвитых странах, не сможет эффективно использоваться в Европе и Северной Америке.
Существует два пути повышения конкурентоспособности солнечной энергетики (снижение стоимости выработки 1Вт электроэнергии): повышение эффективности солнечных батарей в несколько раз, при неизменной цене, либо значительное удешевление (в 10–100 раз), пусть даже при снижении КПД.
Новый тип солнечных батарей, изготовленных из материала, который значительно дешевле в получении и использовании, чем кремний, может решить проблему сегодняшних солнечных элементов. Хотя потенциал материала только начинает понимать, он уже сейчас привлекает внимание ведущих исследователей солнечной энергии, и несколько компаний работают над его коммерциализацией.
В качестве основы используются перовскитные материалы, типа хлорид-иодида метиламмония свинца (формула CH3NH3Pb2Cl), которые мало того, что дешевле, но и не уступают в КПД традиционным кремниевым решениям. В качестве фотоэлементов используются ячейки Гретцеля — фотоэлектрохимические ячейки, с использованием фоточувствительных мезопористых оксидных полупроводников с широкой запрещенной зоной. У традиционных решений на этих ячейках КПД не превышал 10%, на перовскитных вариантах получилось достичь КПД в 15,4%. По утверждению Михаэля Гретцеля, который и переключился на перовскиты, это более чем превосходно, учитывая цену материала. Т.к. кристаллический кремний, обладающий подобными (или лучшими) характеристиками значительно дороже.

Перовскитные материалы обладают сравнительно простой структурой и не требуют для своего производства сложных или энергоемких процессов. Нет необходимости в вакуумных камерах и тысячеградусных температурах (как для кристаллического кремния), да и сама сверхвысокая чистота материала не требуется. К тому же и материальные затраты меньше: перовскитные ячейки обладают толщиной всего 1 мкм, тогда как стандартный кремниевый фотоэлемент целых 180 мкм. Соответственно, меньше масса, проще поддерживающая конструкция, и открываются новые варианты использования – вроде нанесения на стены существующих домов. Итоговая оценка стоимости массового производства перовскитных фотоэлементов составляет 10–20 центов за 1 ватт мощности, тогда как нынешние фотоэлементы стоят минимум 75 центов за ватт. И это без установки и поддерживающих конструкций. К сведению, ветротурбины обходятся более чем в доллар за ватт, а ТЭС и до полутора долларов за ватт.

К тому же, в перспективе Гретцель надеется поднять КПД перовскитных элементов до 20–25% при той же цене, а это уже предел, доступный лучшим лабораторным кремниевым образцам. И это не простые мечты первооткрывателя. В 2009 году, первый перовскитный фотоэлемент имел КПД в 3,5%, в 2012 он достиг 11%, сейчас зафиксирован рекорд в 15,4%. За четыре года рост КПД более чем в 4,4 раза, при параллельном доведении ресурса ячеек до уровня обычных тиражируемых аналогов. Кроме того, материал лучше проводит заряд, чем оксид титана, первоначально использовавшийся в ячейках Гретцеля, и дополнительно электролит твердый, устойчивый к замерзанию. Его можно наносить на стекло, значительно удешевляя общую стоимость батарей и несущих конструкций. Этот способ может применяться для нанесения перовскитного фотоэлемента на уже существующих батареи, значительно повышая суммарный КПД при повышении стоимости на 20%. Недостаток имеется только один – содержание свинца, которое потребует некоторых мер по утилизации и вторичной переработке.
Перспективы коммерциализации выглядят очень заманчиво, учитывая, что уже сейчас ячейки Гретцеля на диоксиде титана широко применяются, например, в чехлах iPad-ов. Этим сейчас занимается Oxford Photovoltaics, собравшая более $4 млн инвестиций. Нам же остается ждать когда солнечные батареи станут дешевле и заменят собой традиционную энергетику.
(по материалам www.technologyreview.com)