Команда исследователей создала тонкие, эффективные и гибкие фотоэлементы

Солнечная батарея: история развития технологии

Хотя солнечная энергетика, как мы знаем, не старше 60 лет, история открытий, которые привели к созданию солнечной батареи, началась почти 200 лет тому назад. Эти открытия свойств света и электропроводимости сделали солнечную энергетику такой, какая она есть сегодня.

Чтобы помочь вам лучше понять, как появилась солнечная батарея, мы подготовили график открытий и изобретений, которые привели к их созданию.

1839: Наблюдение фотоэффекта

Французский ученый Эдмон Беккерель впервые наблюдал фотоэффект в 1839 году . Этот процесс происходит, когда свет поглощается материалом и создается электрическое напряжение. Большинство современных солнечных батарей используют кристаллы кремния для достижения этого эффекта.

1873-1876: Открыта фотопроводимость селена

Английский инженер-электрик Уиллоуби Смит обнаружил фотопроводимость селена, то есть он становится электропроводным при поглощении света. Три года спустя Уильям Гриллс Адамс и Ричард Эванс Дей открыли, что селен может производить электричество из света без тепла или движущихся частей, которые могли бы легко сломаться. Это открытие доказало, что солнечную энергию легко можно собрать и сохранить, при этом требуется меньшее количество деталей, чем для других источников энергии — например, для электростанций, работающих на угле.

1883: создание первого фотоэлемента

Изобретатель из Нью-Йорка Чарльз Фриттс создал первый солнечный элемент путем покрытия селена тонким слоем золота. Этот фотоэлемент достиг эффективности преобразования энергии в 1-2%. Большинство современных солнечных батарей работают с эффективностью 15-20%.

1887: открыт фотоэлектрический эффект

Немецкий физик Генрих Герц впервые наблюдал фотоэлектрический эффект при использовании света для освобождения электронов от твердой поверхности (обычно металлической) для выработки электроэнергии. В отличие от ожидаемых результатов, Герц нашел, что этот процесс производит больше энергии при воздействии ультрафиолетовым светом, а не более интенсивным видимым. Альберт Эйнштейн позже получил Нобелевскую премию за дальнейшее объяснение эффекта. Современные солнечные батареи основываются именно на фотоэлектрическом эффекте для преобразования солнечного света в энергию.

1953-1956: коммерческое производство кремниевых фотоэлементов

Физики Лабораторий Белла обнаружили, что кремний является более эффективным, чем селен, создавая первые практичные фотоэлементы — теперь 6% эффективности. Это открытие привело к созданию фотоэлементов, способных питать электрооборудование. В 1956 году Western Electric начала продавать коммерческие лицензии на свои кремниевые фотоэлектрические технологии, но чрезмерно высокая стоимость кремниевых фотоэлементов удерживала их от широкого насыщения рынка.

1958: использование солнечной энергии в космосе

После нескольких лет экспериментов по повышению эффективности и коммерциализации солнечной энергии, она получила поддержку, когда американское правительство использовало её для оборудования по изучению космоса. Первый спутник на солнечных батареях Vanguard 1 сделал более 197 000 оборотов вокруг Земли за 50 лет пребывания на орбите. Это применение солнечной энергии открыло путь для дальнейших исследований по снижению затрат и увеличению производства.

1970-ые: исследования снижают стоимость

Так как цены на нефть выросли в 1970-е годы, спрос на солнечную энергию вырос. Exxon Corporation профинансировала исследование для создания фотоэлементов, изготовленных из более низкосортного кремния и более дешевых материалов, снизив стоимость со $ 100 за ватт всего лишь до $ 20 — $ 40 за ватт. Федеральное правительство также приняло несколько законопроектов и инициатив, способствовавших развитию солнечной энергетики, и создало Национальную лабораторию возобновляемых источников энергии (NREL) в 1977 году.

1982: строительство первой солнечной электростанции

Arco Solar построил первый солнечный парк — основу солнечной электростанции — в Хесперии, Калифорния, в 1982 г. Эта солнечная электростанция генерирует 1 МВт или 1000 киловатт в час при работе на полную мощность. Это позволяет питать 100-киловаттную лампочку в течение 10 часов. В 1983 году Arco Solar построила второй парк солнечных батарей в Карризо Плейн, штат Калифорния. В то время это была самая большая коллекция солнечных батарей в мире, состоящая из 100 000 батарей, которые генерировали 5,2 мегаватта при работе на полную мощность. Хотя эта солнечная электростанция и пришла в упадок из-за возвращения популярности нефти, она продемонстрировала потенциал для промышленного производства солнечной электроэнергии.

1995: созданы выдвижные солнечные батареи

Исследования в области солнечной энергетики продолжают расширятся на другие отрасли: Thomas Faludy подал заявку на патент в 1995 году на выдвижные навесы с интегрированными солнечными батареями. Это был один из первых случаев, когда солнечные батареи были использованы в рекреационных транспортных средствах. Сегодня эта функция является популярным способом питания рекреационных автомобилей (recreational vehicle: специализированный автомобиль или прицеп для любителей автотуризма, разделенный на функциональные секции — кухню, спальню, гостиную, туалет, душ и т.п.).

1994¬-1999: эффективность солнечных батарей поднимается на новый уровень

В 1994 году Национальная лаборатория возобновляемой энергии разработала новый фотоэлемент из фосфида индия — галлия и арсенида галлия , эффективность которого превысила 30%. К концу века лаборатория создала тонкопленочные фотоэлементы, которые преобразовывали 32% солнечного света в полезную энергию.

2005: стали популярными самодельные солнечные батареи

Поскольку технология и эффективность солнечных батарей выросли, становится все более популярным использование солнечной энергии для дома. Самодельные солнечные батареи стали хитом рынка в 2005 году и стали распространяться с каждым новым годом все больше и больше. На сегодняшний день существует много способов, как сделать свои собственные солнечные батареи, от сборки комплекта солнечных батарей до планирования стрингов солнечных батарей.

Сейчас производятся тонкие, как бумага, фотоэлементы с использованием промышленного принтера. Они имеют 20% эффективности преобразования солнечной энергии, и одна полоса может производить до 50 ватт на квадратный метр. Это хорошая новость для 1,3 миллиарда человек в развивающихся странах, поскольку такие полосы являются гибкими и недороги в производстве.

2016: открытие термофотоэлементов, работающих без солнца

Команда исследователей из Калифорнийского Университета, Беркли, и Австралийского национального университета обнаружила новые свойства наноматериала. Одно из таких свойств называется магнитной гиперболической дисперсией, что означает, что материал светится при нагревании. В сочетании с термофотоэлектрическими элементами, он может превратить тепло в электричество без солнечного света.

Солнечная энергия прошла долгий путь за последние 200 лет от наблюдения за свойствами света до поиска новых способов его преобразования в электроэнергию. Эта технология не проявляет никаких признаков замедления — она идет вперед с беспрецедентной скоростью.

Будьте в курсе последних новостей о солнечной энергии и заранее решите, является ли солнечная энергия правильным выбором для Вас.

Если Вам необходимы солнечные батареи для дома или дачи, наша компания всегда готова предложить Вам идеальные варианты по электроснабжению Вашего домохозяйства:

  • автономное энергоснабжение
  • резервное электроснабжение
  • электроснабжение с продажей электроэнергии по «Зеленому тарифу«.

Солнечные батареи из перовскита

Вещество, известное ученым уже более ста лет, только сегодня, в начале XXI века, оказалось весьма перспективным материалом для производства дешевых и эффективных солнечных элементов. Перовскит, или титанат кальция, впервые найденный в виде минерала немецким геологом Густавом Розе в Уральских горах еще в 1839 году, и названный в честь графа Льва Алексеевича Перовского, славного государственного деятеля и коллекционера минералов, героя Отечественной войны 1812 года, оказался наиболее подходящим претендентом на роль альтернативы кремнию в производстве солнечных батарей.

Как вещество, титанат кальция до недавнего времени широко использовался лишь в качестве диэлектрика многослойных керамических конденсаторов. И вот теперь его пробуют применить для построения высокоэффективных солнечных батарей, поскольку выяснилось, что данный материал прекрасно абсорбирует свет.

Обычные, ставшие давно традиционными, кремниевые солнечные батареи при толщине в 180 микрон поглощают столько же света, сколько перовскит поглотит при толщине всего в 1 микрон. Перовскит так же как и кремний является полупроводником, и примерно так же эффективно передает электрический заряд под действием света, однако спектр преобразуемого в электричество света у перовскита шире, чем у кремния.

Структура кристаллического вещества титаната кальция идентична структуре минерала перовскита, потому и название у них одно и то же. И именно данное вещество находится сегодня на одном из лидирующих мест в рейтинге путей оптимизации для солнечной энергетики.

Все дело в том, что солнечные батареи на базе кремния стоят сегодня в среднем 75 центов за 1 кВт, а солнечные батареи на основе перовскита снизят их стоимость до 10-15 центов за 1 кВт, то есть технология солнечных батарей на перовските в 5-7 раз дешевле кремния как при производстве батарей, так и при их эксплуатации, а количество производимой электроэнергии такое же.

И это при том, что аналитики энергетической отрасли утверждают, что уже при стоимости в 50 центов за 1 кВт, солнечная энергия становится конкурентоспособной по отношению к ископаемому топливу. То есть переход на перовскит в глобальном масштабе снизит стоимость производства электроэнергии в разы, при этом процесс производства самих панелей будет очень простым.

Исследования по оценке и повышению эффективности солнечных элементов на основе перовскита ведутся во многих странах: в Австралии — Мартин Грин, в Швейцарии — Майкл Гретцель, в США — Генри Сайнт, Феликс Дешлер, Лиминг Дай, в Корее — Сок Санг Иль. Исследователи заявляют в один голос о дешевизне и высокой эффективности перспективной технологии.

Майкл Гретцель утверждает, что достигнутая им эффективность в 15% легко может быть увеличена до 25%, а недорогие солнечные элементы из ныне доступных не дотягивают до 15%. Впервые, в 2009 году, когда только заговорили о возможностях использования перовскита для солнечной энергетики, был получен КПД в 3,5%, и элементы были недолговечными, поскольку жидкий электролит растворял перовскит, и едва ученые успевали провести замеры, батарея прекращала работать.

Читайте также  Металлоискатель tracker fm-1d3

Однако, спустя три года, жидкий электролит был заменен на твердый, и элементы стали более стойкими, а КПД сначала удвоился, а затем удвоился еще раз. Несколько электропроводящих слоев-подложек, на один из которых нанесли пигмент, решили проблему и открыли перспективу. Шаги по повышению эффективности не прекращаются и по сей день, ученые применяют в числе прочего и стандартные методы оптимизации, которые служили для улучшения кремниевых предшественников.

Майкл Гретцель уверен, КПД в 25% приведет к революции в солнечной энергетике. Профессор из Австралии, Мартин Грин, один из пионеров в исследованиях, утверждает, что бескремниевые батареи настолько просты в производстве и эффективны в эксплуатации, что однозначно есть уверенность — будущее у солнечных батарей на перовските светлое, ведь предварительные оценки уже пророчат колоссальное удешевление — в 7 раз.

Группа исследователей из Кореи, под руководством Сок Санг Иля, разработала собственную формулу, путем смешивания метиламмония бромида свинца с формамидин-иодидом свинца, ученые добились такой структуры перовскита, что установили рекордный КПД в 17,9%. Использование смеси позволит печатать солнечные элементы, и их стоимость еще больше снизится. Остается проблема — материал растворяется в воде, к тому же размер ячеек в тестах не превышал 10 кв.мм, так что исследования продолжаются.

Процесс изготовления перовскитовых солнечных элементов видится исследователям довольно простым. Жидкость просто разбрызгивается на поверхность или наносится в виде пара, что очень просто реализовать технологически. На металлическую фольгу или на стекло наносится несколько слоев материалов, один из которых — перовскит.

Другие материалы здесь нужны для того, чтобы способствовать перемещению электронов внутри элемента. Процесс изготовления приближен к идеалу. Физик из Оксфордского Университета, Генри Сайнт, занимающийся разработкой перовскитовых ячеек в США, уверен, что слои солнечной панели будут наноситься так же легко, как при обычной покраске какой-нибудь поверхности.

Несмотря на открывающиеся перспективы, ученые разделились на два лагеря. Первые ратуют за совершенствование уже ставших традиционными, кремниевых батарей, другие — за создание совершенно новых, более эффективных. Так, Мартин Грин считает, что перовскит можно применить как дополнение к кремниевым батареям, совместив кремний с перовскитом, и таким образом снизить стоимость ватта получаемой электроэнергии без значительных убытков для кремниевой отрасли. Майкл Гретцель — напротив убежден, что важны новые разработки, и издержки на повышение эффективности новых фотоэлементов окупятся многократно.

Многие компании уже работают над коммерческим внедрением продукта, ведь несмотря на то, что возможности перовскита еще только начинают осознаваться, ведущие специалисты в области солнечной энергетики уже устремили свое внимание в будущее. Австралийские и Турецкие компании вместе активно подошли к коммерциализации перовскитовых солнечных батарей, и по прогнозам, уже к 2018 году они будут представлены на мировом рынке.

Несмотря на оптимизм некоторых компаний, опыт показывает, что обычно необходимо лет десять для выхода новой технологии из лаборатории на рынок, а за это время и кремниевые батареи вполне могут и обогнать перовскит. Гретцель, кстати, продает лицензию на новую технологию компаниям, которые намерены идти по традиционному пути кремния.

Конкуренция на рынке солнечной энергетики также высока, и каждый новый игрок сталкивается с ней. Стоимость кремниевых панелей снижается, и по мнению некоторых аналитиков, она может понизиться до 25 центов за 1 кВт, что полностью лишит преимуществ технологию перовскита.

Остается проблемой и наличие в пигменте небольшого количества свинца, который токсичен. Предстоят экспериментальные исследования, которые выявят, на сколько токсичным оказывается перовскит. Стоит уделить внимание и утилизации отработанных батарей, как это происходит с стартерными автомобильными аккумуляторами. Но в принципе, вместо свинца может быть использовано олово или нечто подобное.

Между тем, исследователи из Огайо, под руководством Лиминг Дай, взялись за электрификацию электрокаров с помощью солнечных панелей из перовскита. Они разработали наиболее выгодное, чем это было раньше, сочетание солнечных панелей с аккумуляторами электрических автомобилей.

Подключив четыре перовскитовых батареи к литиевому аккумулятору, ученые добились КПД 7,8% в наиболее эффективной на сегодняшний день конфигурации, которая превзошла былые решения по совмещению солнечных батарей с суперконденсаторами и аккумуляторами.

Многослойные панели позволили повысить плотность и стабильность получаемой от солнца энергии. Тестирования показали, что три слоя перовскита преобразуются при желании в одну пленку. При площади одной ячейки не более 10 кв.мм, исследователи добились КПД 12,65% от преобразователя размером с монету, однако с учетом преобразования и хранения энергии, КПД составил 7,8% в цикличном режиме.

Такие системы, по мнению разработчиков, смогут в будущем не просто заряжать электрокары, но и будут установлены в виде гибкой пленки на кузовах. Технология представляется идеальной для электромобилей.

Примечательна способность перовскита к переизлучению. Ученый из Кембриджского университета, Феликс Дешлер, обнаружил, что перовскит обладает уникальным свойством. Когда на материал попадает свет, энергия фотонов не просто преобразуется в электроэнергию, часть заряда обратно превращается в фотоны.

Если панель сможет повторно использовать эти фотоны, то собираемой энергии станет еще больше. Группа Дешлера провела эксперимент, в котором сконцентрировала луч лазера на срезе перовскита толщиной в 0,5 микрона, и свет переизлучался в другом месте образца. Кремний, например, не обладает способностью перемещать внутри себя энергию и вновь ее испускать.

Таким образом, перспективы у перовскита колоссальны, и кто знает, может быть не за горами те времена, когда каждый дом и каждый автомобиль будут оснащены перовскитовыми батареями, поскольку загрязнять окружающую среду продуктами сжигания ископаемого топлива станет уже экономически не выгодно и не целесообразно.

Исследователи из института Фраунгофера ISE создали фотоэлемент с эффективностью 33,3%

Исследователи из Института солнечно-энергетических систем Фраунгофера ISE совместно с компанией EVG разработали новый многослойный фотоэлемент на основе кремния, который преобразует ровно одну треть энергии, содержащейся в солнечном свете, в электрическую энергию.

Сегодня кремниевые фотоэлементы доминируют на мировом рынке солнечной энергетики с долей около 90%. Научно-исследовательские учреждения и промышленность приближаются к теоретическому пределу эффективности полупроводникового материала кремния на новых этапах технологического развития. В то же время они открывают новые горизонты для разработки нового поколения еще более эффективных фотоэлементов.

Сейчас же исследователям удалось достичь высокой эффективности преобразования многослойного фотоэлемента на основе кремния за счет тонких слоев полупроводников III-V группы толщиной 0,002 мм, менее одной двадцатой от толщины волоса, нанесенных на кремниевый фотоэлемент. Видимый свет эффективно поглощается в первом фотоэлементе из фосфида галлия-индия, близкий к инфракрасному — в арсениде галлия, а свет с более длинными волнами — в кремнии. Это позволяет значительно повысить эффективность современных кремниевых фотоэлементов.

«Солнечная энергетика является одним из важнейших столпов перехода на возобновляемые источники энергии,» — говорит д-р Андреас Бетт, директор института Fraunhofer ISE. «Затраты снизились настолько, что солнечная энергетика стала представлять собою рентабельную альтернативу ископаемым источникам энергии. Но такое развитие событий еще далеко от завершения, и новый результат показывает, как можно снизить расход материалов за счет повышения эффективности и, следовательно, не только еще более оптимизировать затраты, но и производить солнечную электроэнергию в ресурсосберегающем режиме».

Еще в ноябре 2016 года исследователи из Фрайбурга и их промышленный партнер компания EVG продемонстрировали фотоэлемент с эффективностью 30,2%, а затем в марте 2017 года увеличили ее до 31,3%. Теперь же им снова удалось значительно улучшить поглощение света и разделение заряда в кремнии, установив новый рекорд эффективности в 33,3%. Рекордный фотоэлемент внешне напоминает обычный кремниевый фотоэлемент с двумя контактами и поэтому легко может быть интегрирован в солнечные батареи. Технология также убедила жюри GreenTec Awards 2018, которое отдало этой разработке третье место в категории «Энергия».

Для реализации своей концепции многослойных фотоэлементов исследователи нанесли на кремневую основу слои из полупроводников III-V групп толщиной 1,9 мкм. Соединение с кремниевой основой осуществлялось с помощью метода термокомпрессионной сварки, известного из микроэлектроники. Поверхности дезоксидировали в камере EVG580 ComBond под высоким вакуумом с использованием ионного пучка и последующего сжатия под давлением. Результатом стало соединение, в котором атомы верхних слоев из полупроводников III-V групп связываются с кремнием. Такой фотоэлемент имеет простые контакты с фронтальной и тыльной сторон как у обычных кремниевых фотоэлементов и также, как они, может быть легко интегрирован в солнечные батареи.

Многослойный фотоэлемент на основе кремния состоит из последовательно уложенных друг га друга фотоэлементов из фосфида галлия-индия (GaInP), арсенида галлия (GaAs) и кремния (Si), которые внутренне связаны между собой так называемыми туннельными диодами. Верхний фотоэлемент GaInP поглощает излучение между 300 и 670 нм, GaAs — между 500 и 890 нм и нижний Si — между 650 и 1180 нм.

Слои полупроводников III-V групп были сначала эпитаксиально осаждены на подложке GaAs, а затем приварены на специально подготовленную структуру кремниевого фотоэлемента. При этом на фронтальную и на тыльную сторону кремния были нанесены пассивированные контакты из оксида туннельного перехода (TOPCon). Впоследствии подложку из GaAs удалили, нанесли наноструктурированный контакт с тыльной стороны для удлинения длины пути света, а также фронтальную сторону нанесли контактную сетку и антиотражающее покрытие.

Читайте также  Технология поддержания температуры теплоносителя

На пути к промышленному производству многослойного фотоэлемента на основе кремния с полупроводниковыми слоями III-V групп нужно снизить затраты на наращивание слоев полупроводников и на технологию соединения с кремнием. Это серьезные проблемы, которые исследователи института Фраунгофера из Фрайбурга намерены решить в рамках будущих проектах в своем новом Центре высокоэффективных фотоэлементов. Там будет разрабатываться как технологии полупроводников III-V класса, так и кремниевые технологии следующего поколения. Целью является создание в будущем высокоэффективных солнечных батарей с эффективностью более 30%.

Исследования были профинансированы Европейским Союзом в рамках стипендии Мари Кюри. Кроме того, работа была поддержана Европейским союзом в рамках проекта NanoTandem, а также Федеральным министерством экономики и энергетики (BMWi) в рамках проекта PoTaSi. опубликовано econet.ru Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

Ученые НИТУ «МИСиС» создали первый российский гибкий тонкопленочный солнечный элемент, который в разы дешевле аналогов

Группа ученых НИТУ «МИСиС» под руководством профессора Анвара Захидова представила технологию создания тонкопленочного фотоэлемента на основе гибридного металл-органического соединения — перовскита, позволяющего преобразовывать энергию солнечного излучения в электрическую с КПД выше 15%, при планируемых показателях более 20%. В ближайшее время легкие, гибкие и дешевые панели солнечных батарей на основе перовскитов будут использоваться для зарядки и электропитания устройств в спектре от планшета до электросетей зданий.

Альтернативная энергетика формата «solar power» развивается давно и успешно за счет солнечных кремниевых батарей. Однако существенный минус технологии — ее дороговизна из-за высокотехнологического, энергоемкого и токсичного производства кремния, который отличается малой гибкостью, хрупкостью и большой массой панелей, что сильно сужает диапазон его применения.

Металло—органические перовскиты, как класс соединений, — это революция в материалах для оптоэлектроники и солнечной энергетики, которая вывела ее на принципиально новый уровень. Его уникальность в новом механизме преобразования солнечной энергии в электрическую с повышенной эффективностью.

Научный коллектив НИТУ «МИСиС», состоящий из сотрудников Центра энергоэффективности, кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников, совместно с коллегами из университета Техаса в Далласе (University of Texas at Dallas) впервые в России создал прототип тандемного устройства с применением фотовольтаических ячеек в монолитном соединении с использованием углеродных нанотрубок. Многослойный тандем может сочетать в себе подъячейки из перовскита (на основе солей иодида свинца и метил-аммония йода) с традиционными кремниевыми солнечными элементами для преобразования в электричество всего спектра видимого излучения солнечного света.

«Ученые НИТУ „МИСиС“ стали первым в нашей стране научным коллективом, которому удалось создать прототип тандемного перовскитного фотоэлемента. Проект по разработке альтернативных источников энергии данного типа не имеет аналогов в России, и обещает стать прорывом в сфере автономной энергетики. Сейчас ученые тестируют полученный прототип устройства и планируют перейти к промышленным испытаниям фотоэлемента в 2017 году», — сообщила ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова.

Главное революционное преимущество перовскитной технологии, выводящее фотовольтаику на новый уровень, — активные слои этих солнечных элементов возможно наносить из жидких растворов на тонкие и гибкие подложки. Так называемая технология «Roll to roll» позволяет размещать солнечные батареи на поверхностях любой кривизны. Это могут быть оконные полупрозрачные «энерго-шторы» домов и машин, фасады и крыши зданий, бытовая электроника, гаджеты и т.д.

Таким образом, диапазон применения такой «зарядки от Солнца», по сравнению с традиционными кремниевыми солнечными батареями, расширяется на порядок — в него попадают вся носимая электроника, автопром, бытовая техника, технологии «умный дом», обеспечение электричеством жилых домов и помещений.

На сегодняшний день расчетная стоимость квадратного метра перовскитных солнечных панелей составляет менее 100 долларов США, тогда как квадратный метр лучших кремниевых обходится в 300 долларов США. В массовом производстве разница станет 4-6-кратной. Дешевое производство нового класса устройств позволит значительно сократить использование традиционной энергетики за счет экологически чистой и доступной фотовольтаики.

По словам руководителя проекта Анвара Захидова, «главным преимуществом гибридных перовскитов является простота их получения из обычных солей металлов и промышленных химических органических соединений, а не из дорогих и редких элементов, используемых в высокоэффективных полупроводниковых аналогах, таких, как солнечные батареи на основе кремния и арсенида галлия. Не менее важно, что материалы на основе перовскита могут быть использованы для печати фото-электроники не только на стекло, но и на другие материалы и поверхности. Это делает батареи гораздо дешевле, чем при более сложных способах получения тонкопленочных солнечных элементов».

Кристаллы перовскита были открыты в 1839 году на Южном Урале. Их необычная кристаллическая структура типа ABX3 названа в честь c русского минеролога Львa Перовскoгo, первым обнаружившего одну из их разновидностей. Сегодня перовскиты для производства фотовольтаических элементов синтезируются из простых и доступных химических элементов, типа йода, солей аммония, бора, свинца. Гибридные перовскиты, в которых А — органическая молекула (например метил-амин), B — это металл (Pb или Sn), а X — галоген (I, Br, Cl) — это самая передовая область исследований в сфере солнечной энергетики третьего поколения, в которой ожидаются существенные открытия в сфере создания сверхстабильных «сплавов» перовскитов, в том числе, учеными НИТУ «МИСиС».

Профессор Анвар Захидов — ведущий эксперт Центра энергоэффективности НИТУ «МИСиС», руководитель проекта Программы профессор университета Техаса в Далласе (США). Руководит совместной российско-американской группой ученых, занимающейся разработкой перовскитных источников энергии.

Фотоэлементы на основе тонких пленок полупроводников

Рабочим элементом этих ячеек являются тонкие пленки полупроводников как неорганических, так и органических.

Фотоэлементы на основе аморфного кремния

Тонкие пленки аморфного кремния наиболее часто получают методом осаждения из паровой фазы с использованием плазмы (PECVD). В качестве источника кремния используют силан или его производные. Температура осаждения 250-400 о С, что позволяет использовать в качестве подложек не только металлические ленты, но также стекло и даже полимерные пленки. В случае гибких подложек, таких как металлические или полимерные ленты, осаждение может проводиться в непрерывном процессе при протяжке ленты-подложки через реактор. Эта технология отличается высокой производительностью, а пленки – соответственно низкой стоимостью.

Аморфный кремний всегда содержит водород в количестве от 5 до 20 ат. %, который блокирует оборванные связи кремния, поэтому он является гидрогенизированной формой кремния. Гидрогенизированный аморфный кремний (aSi:H) является прямозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 1,7 эВ и высоким коэффициентом оптического поглощения (?>10 5 cm -1 для фотонов с энергией Е>1,7 эВ). Это означает, что пленка толщиной всего несколько микрон поглотит большую часть солнечного излучения. При легировании пленки аморфного кремния германием ширина запрещенной зоны уменьшается, а при добавлении углерода – увеличивается. Это позволяет создавать солнечные элементы с двумя или тремя гетеропереходами, перекрывающими практически весь солнечный спектр. Эффективность фотопреобразования таких элементов достигает 12%. Недостатком является деградация физических свойств элемента под действием солнечного излучения – эффект Штеблера-Вронского (the Staebler-Wronski effect). Чтобы повысить стабильность свойств фотоэлементов в качестве полупроводника используют не аморфный кремний, но двухфазный материал, содержащий включения микро или нано кристаллов кремния в аморфной матрице, который известен как микрокристаллический или нанокристаллический кремний. Такой материал получается при добавлении водорода в реакционную смесь. При высоком содержании кристаллической фазы свойства материала все больше соответствуют свойствам мультикристаллического кремния. Помимо ячеек на основе двухфазного материала разрабатываются гибридные ячейки: аморфный Si/микрокристаллический (нанокристаллический) Si, которые в литературе называют «микро-морфные» устройства. Эти устройства обладают более высокой эффективностью и стабильностью, чем устройства на основе только аморфного кремния. Следует отметить, что пленки аморфного кремния нашли и другое применение – в качестве пассивирующего покрытия пластин монокристаллического кремния модулей первого поколения. Такое покрытие снижает поверхностную рекомбинацию носителей заряда на два порядка, что приводит к существенному повышению эффективности фотопреобразования. Эти элементы разработаны компанией Sanyo (Япония) и получили название «гетеропереходы с внутренним тонким слоем» («Heterojunction with Intrinsic Thin layer — HIT). Компания Sanyo наладила промышленный выпуск модулей на основе HIT-структуры с эффективностью преобразования 21,5%.

Фотоэлементы на основе кристаллических пленок кремния

Материалом альтернативным и монокристаллическому, и аморфному кремнию являются поликристаллические пленки кремния. Поликристаллический Si устойчив к воздействию солнечного излучения аналогично монокристаллическому материалу и при этом обеспечивает более высокую эффективность фотопреобразования, чем аморфный кремний. Благодаря высокой электропроводности кремния фотоэлементы на основе поликристаллического материала не требуют применения прозрачного электрода. Однако в таких элементах необходимо использовать светопоглощающий слой, поскольку оптическое поглощение в поликристаллическом кремнии намного меньше, чем в аморфном. Электрические свойства поликристаллического кремния, в частности время жизни носителей заряда, определяющие эффективность фотопреобразования, зависят от размера и ориентации кристаллитов. В настоящее время разработано несколько способов производства поликристаллических пленок кремния, например, химическое осаждение из паровой фазы c использованием горячего филамента (hot-wire CVD), или газотранспортный метод с использованием йода. Оба метода обладают высокой скоростью осаждения – до 3 мкм/мин, однако второй метод имеет некоторые преимущества: он работает при атмосферном давлении и позволяет получать крупнокристаллические пленки с размером кристаллитов 5-20 мкм. Еще один метод получения поликристаллических пленок кремния – индуцированная металлами кристаллизация аморфной пленки кремния. В отличие от первых двух методов, когда поликристаллические пленки получаются прямо в процессе осаждения, в этом методе происходит кристаллизация аморфной пленки в результате ее контакта с металлом, который ускоряет кристаллизацию. Типично процесс проводят при температурах 450-600 о С и времени от 10 до 70 часов. (Средняя скорость распространения фронта кристаллизации составляет 2-3 мкм/ч при 550 о С.) Оказывается, что скорость кристаллизации можно увеличить, если процесс проводить в постоянном электрическом поле умеренной напряженности. Например, при напряженности поля 80 В/см время кристаллизации при 500 о С составляет всего 10 мин.

Читайте также  Автоматический выключатель освещения с функцией ночника и плавной регулировки освещения

Эффект индуцирования кристаллизации аморфного кремния присущ многим металлам. Эти металлы условно разделяют на две группы: образующие эвтектику с кремнием (например: Al, Au, Ag) и образующие силициды (например: Ni, Pd). Наиболее интенсивно изучаются такие инициаторы кристаллизации, как Al и Ni, поскольку они широко применяются в технологии полупроводниковых устройств. Несмотря на то, что эффект индуцирования кристаллизации известен около 40 лет, его механизм остается еще во многом непонятным. Метод индуцированной кристаллизации позволяет получить пленки кремния высокого совершенства, состоящие из больших кристаллитов вплоть до 100 мкм в поперечнике, при этом в ряде случаев получаются текстурированные пленки кремния.

Кроме этого метода в настоящее время разрабатываются специальные методы, позволяющие получать текстурированные пленки кремния и германия: осаждение на наклонную подложку (Inclined Surface Deposition- ISD), осаждение в присутствии пучка ионов высокой энергии, направленного под определенным углом к подложке (Ion Beam Assisted Deposition — IBAD), осаждение на металлическую подложку с биаксиальной текстурой. Первые два метода отличаются универсальностью и позволяют формировать текстурированные пленки различных материалов практически на любых, в том числе поликристаллических и аморфных, подложках. Недостатками этих методов являются их большая энергозатратность и необходимость использования высокого вакуума, что делает затруднительным промышленное масштабирование этих технологий. Третий метод уже широко используется для формирования текстурированных пленок YBa2Cu3Ox. Высоко ориентированные пленки германия также были получены на биаксиально текстурированных металлических лентах. Это позволило создать солнечный модуль на основе тонких пленок соединений III-V групп с эффективностью 30%. По этой технологии в 2008 году в США организовано промышленное производство солнечных модулей (компания Wakonda).

Фотоэлементы на основе кристаллических пленок CdTe

Теллурид кадмия является одним из перспективных материалов для производства высокоэффективных и дешевых солнечных модулей. Этот материал является прямозонным полупроводником с большим коэффициентом оптического поглощения (

10 5 см -1 ) в видимом диапазоне и имеет почти идеальную ширину запрещенной зоны (1,5 эВ) для ячеек с одним переходом. Благодаря этому пленка CdTe толщиной всего несколько микрон поглощает

90% солнечного излучения. В настоящее время разработаны разнообразные промышленно эффективные технологии получения пленок CdTe, такие как сублимация, осаждение из аэрозоля или «мокрая» печать, рост из раствора, электроосаждение, различные физические методы испарения/осаждения. Все эти методы позволяют получать пленки CdTe большой площади с большой скоростью осаждения:

1 м 2 /мин. Рекордная эффективность ячейки на основе CdTe составляет 16,5% (см. рис. 1), модуля коммерческого размера – 11%; а типичные коммерческие модули имеют эффективность 7–9%.

Ячейка на основе CdTe состоит из стеклянной подложки с нанесенным слоем прозрачного проводника (SnO2:F, In2O3 или Zn2SnO4), затем n-CdS ( 2 .

Фотоэлементы на красителях

Фотоэлементы на красителях также принадлежат к тонкопленочным солнечным элементам. Этот тип фотоэлементов был изобретен в 1991 году швейцарским ученым Гретцелем (Gratzel), и поэтому их еще называются «ячейка Гретцела». Первая ячейка Гретцела состояла из анода (толщиной 10 мкм) в виде высокопористого нанокристаллического диоксида титана, поверхность которого покрыта мономолекулярным слоем красителя и который был сформирован на стеклянной подложке, покрытой слоем прозрачного проводящего оксида. Пористый анод пропитывался жидким йодным электролитом. Катодом являлась платина.

Ячейка Гретцела работает следующим образом. Свет, проходя через прозрачную подложку, поглощается фотоактивным красителем. Электроны, возбужденные светом в красителе, переходят в TiO2 и диффундируют к прозрачному проводящему электроду под действием градиента их концентрации. Электролит замыкает электрическую цепь и обеспечивает транспорт электронов от катода (Pt) к красителю, где они рекомбинируют с дырками, оставшимися от мигрировавших фотоэлектронов. Таким образом, в ячейке Гретцеля полупроводник (TiO2) используется только для транспорта фотоэлектронов, которые генерируются в фоточувствительном красителе. Этим ячейка Гретцела принципиально отличается от обычных полупроводниковых фотоэлементов, в которых и транспорт, и генерация фотоэлектронов происходят в объеме полупроводника.

Недостатками ячейки Гретцела являются высокая коррозионная активность электролита и высокая стоимость платины. Однако эти проблемы не являются фатальными и могут быть найдены эффективные решения для них. Например, вместо Pt уже предложено использовать CoS, также предложены менее агрессивные органические электролиты.

В настоящее время рекордная эффективность фотопреобразования ячеек на красителях составляет 11,1%, что, учитывая невысокую стоимость используемых материалов и простоту технологии, делает эти фотоэлементы привлекательными для массового применения.

Постоянно ведутся исследования по поиску новых более дешевых и/или более эффективных материалов, что позволяет надеяться на повышение эффективность этих структур. Кроме этого обычного «эволюционного» пути эффективность фотопреобразования можно еще существенно повысить, если использовать тандемные структуры. Стандартная ячейка Гретцела работает как фотоанод, когда фототок возникает в результате фотогенерации электронов в фотоактивном красителе. Аналогично можно создать фотокатод, когда фотоактивный краситель генерирует дырки, или, другими словами, фотовозбужденный краситель индуцирует перенос электрона из р-типа полупроводника в краситель. Если объединить две такие структуры, работающие как фотоанод и фотокатод, в один элемент, то эффективность фотопреобразования может быть значительно повышена. Работы в этом направлении ведутся, но пока эффективность таких тандемных структур ниже, чем у стандартной ячейки Гретцела n-типа, поскольку существующие ячейки р-типа имеют небольшой фототок, являющийся лимитирующим фактором для всей структуры.

Австралийская команда исследователей установила новый рекорд в гелиоэнергетике

В Университете Нового Южного Уэльса (UNSW) создали самое эффективное покрытие для солнечных панелей, позволяющее достичь коэффициента преобразования энергии выше 40%. В 1989 году исследователи из этого же университета преодолели другую историческую отметку, добившись показателя эффективности солнечных панелей в 20%. Улучшить характеристики вдвое удалось за счёт анализа множества перспективных соединений, выполняющих роль оптических частотных фильтров.

Впервые преобразование более сорока процентов энергии солнечного света в электрическую было продемонстрировано при испытаниях, проводимых на открытом воздухе в Сиднее. Затем результат был подтверждён в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) на испытательном стенде в США. Таким образом, эффективность новых солнечных панелей мало зависит от климатических факторов: они демонстрируют одинаково высокие показатели на двух континентах и в разных полушариях Земли.

«На сегодня это самый высокий показатель, когда-либо достигнутый в гелиоэнергетике», – комментирует профессор Мартин Грин (Martin Green), директор Австралийского центра перспективной фотовольтаики (ACAP).

Профессор Мартин Грин демонстрирует солнечную панель с новым оптическим фильтром (фото: abc.net.au).

«Эффект достигается при использовании сфокусированного солнечного света, – поясняет Мартин Грин. – Это особенно важно для гелиостанций башенного типа, которые сейчас разрабатываются в Австралии». Их возведением занимается местная компания RayGen Resources. Её специалисты оказывали исследователям UNSW проектную и техническую поддержку при создании прототипа.

Работа выполнялась при поддержке Австралийского агентства по возобновляемым источникам энергии (НРС). Достижение показателя эффективности в 40% стало возможным за счёт комбинации известных подходов. Совместно с RayGen исследователи разработали систему для фокусировки солнечного света и гелиостат, удерживающий её постоянное направление на Солнце. Лучшие в отрасли солнечные панели изготовила американская компания Spectrolab – дочернее подразделение концерна Boeing. В них используется арсенид галлия на подложке из германия, что обеспечивает два p-n перехода для фотонов с разной энергией.

Солнечная электростанция RayGen гибридного типа (фото: reneweconomy.com.au).

Однако сфокусированный свет быстро приводил к перегреву фотоэлементов и их выходу из строя. Поэтому на них нанесли различные оптические фильтры. Ключевым элементом стало новое интерференционное покрытие, которое пропускает световое излучение в заданном спектральном интервале и блокирует длины волн в нерабочей области, что снижает нежелательный нагрев фотоэлемента.

Руководитель исследования доктор Марк Киверс (Mark Keevers) отметил, что коэффициент преобразования в 40% был достигнут с использованием серийно выпускаемых компонентов. Поэтому техническая возможность наладить производство более совершенных солнечных панелей есть уже сейчас.

Комбинированный подход RayGen: солнечная энергия преобразуется в электрическую напрямую или через теплоноситель (фото: reneweconomy.com.au).

Пока альтернативные источники составляют малую долю от генерируемой в мире электроэнергии. Большая часть потребностей в ней по-прежнему обеспечивается за счёт ТЭС и АЭС. Развитие энергетики на возобновляемых источниках особенно выгодно в определённых регионах, где долговременно существуют подходящие климатические условия. Способность экспериментальных установок конкурировать с электростанциями традиционных типов напрямую зависит от их КПД, который коррелирует с коэффициентом преобразования и до недавнего времени был весьма невысок – от 10% для кремниевых фотоэлементов до 32% у многослойных структур на основе галлия, индия, фосфора и германия.

При КПД выше сорока процентов электростанции на солнечных батареях оказываются предпочтительнее установок коллекторного типа, в которых энергия ИК и видимого света используется для нагрева теплоносителя. Фотоэлементы гораздо безопаснее и дешевле в обслуживании, хотя и обходятся дороже на первом этапе. Кроме того, за счёт прямого преобразования энергии их можно использовать для питания бытовых и портативных устройств.

Подробнее о применении фильтров для повышения коэффициента преобразования солнечных панелей авторы исследования расскажут в готовящейся статье для журнала Progress in Photovoltaics и в ходе начавшейся сегодня университетской научно-практической конференции.