Нови материали за производство на слънчева енергия

Соларната енергия заема основно място сред възобновяемите източници на енергия. Развитието на сектора, което се изразява в увеличаване на ефективността на клетките, намирането на нови приложения за тях, както и повишаването на тяхната екологичност по отношение на производството им и функционирането им, зависи от изследванията по отношение на материалите. Изследванията напредват в няколко посоки, като засега най-обещаваща изглежда тази за синтезиране на различни перовксити, но е разглеждат и много други материали, които да заместят доминиращият в момента силиций. 

Текст: списание Енергия

снимка: Perovskite

Слънчевата енергия е обещаваща и популярна област на изследвания като един от видовете възобновяеми енергийни източници. Съществуващите високоефективни многопреходни слънчеви клетки вече са достигнали своя теоретичен предел по отношение на ефективността, така че днешната световна научна общност фокусира усилията си върху създаването и прилагането на по-ефективни и рентабилни подходи за тяхното производство. Подобрената ефективност на слънчевите клетки ще позволи на инсталациите да произвеждат повече енергия с по-малко панели, намалявайки разходите и количеството земя, труд и оборудване, необходимо за тяхната експлоатация.

Традиционните слънчеви клетки се произвеждат от кристален силиций, което е свързано с изразходването много енергия. Има ефективни алтернативи на силиция, но тези материали са оскъдни. Ако светът увеличи използването на слънчевата енергия, тогава трябва да намерим алтернативи с по-достъпни източници. Изследователите търсят такива устойчиви материали. Те също разглеждат нови видове слънчеви клетки, особено такива, които могат да бъдат много леки и гъвкави, за разлика от конвенционалните силициеви клетки, които трябва да бъдат защитени със стъклени плочи, което ги прави крехки и тежки. Тези нови слънчеви клетки ще работят с дифузна светлина, така че ще бъдат много по-подходящи за използване в Северна Европа.

Основни цели и методи

За да преодолеят ограниченията на сегашното поколение на силициеви слънчеви клетки, учените търсят нови материали, които имат подобна ефективност на преобразуване на енергия, но са по-евтини за производство в голям мащаб. За да идентифицират потенциално подходящи материали, те извършват компютърни симулации на основните градивни елементи на материята - атоми, йони и електрони. Това включва комбиниране на високопроизводителни изчислителни ресурси с квантова химия, разработена през последния век. Крайната цел е да се предвидят свойствата и експлоатационните качества на материалите, дори преди те да бъдат произведени в лаборатория. След като имат надеждно теоретично разбиране за това как работи материалът - как той взаимодейства със светлината и как може да се да оптимизира неговото представяне - те предават тази информация на експериментални сътрудници, които синтезират материалите. Изграждането на прототипи има за цел измерване на тяхната ефективност, по-добро разбиране на това как различните материали взаимодействат помежду си и подобряване на производствените процеси, както и идентифициране на потенциални подобрения.

След като материалите се синтезират, те се поставят в тестови клетки - обикновено 1cm² - и се измерва тяхната ефективност и поведение. След това се провежда цялостно моделиране на устройства, за да се разбере по-добре как всички различни материали в слънчевите клетки взаимодействат помежду си. За да бъде проектирането на клетките възможно най-ефективно се изисква да се определи дали са генерирани заряди, техните траектории, докато текат през устройството, как излизат от него и къде са настъпили загуби по пътя през него. Чрез сравняване на прогнозите за това как се генерират заряди в компютърните симулации с измервания от първоначалните прототипи, изследователите са в състояние да актуализират знанията си за това как работи тази клетка. И по-важното е как те спират да работят - защото клетките могат да се разграждат доста бързо. 

Въпреки че ефективността съдържа информация за цялостното качество на материалите, тя не показва дали въпросният материал може лесно да бъде разширен до по-големи повърхности, т..е доколко е мащабируемо производството на такива клетки. За разлика от малките проби, които могат да бъдат извлечени от внимателно подбрани, при по-голями плочи има по-голяяма верроятност за дефектни участъци и следоваттелно като цяло по-малко количество генерирана енергия. Увеличаването на мащаба наистина изисква отличен контрол на хомогенността при производствените процеси. Следователно в допълнение към анализа на ефективността се използва допълнителен подход за сравняване на изходната мощност, доставяна от действителните модули - или еквивалентно на продукта на повърхността на модула по неговата ефективност.

  снимка: Perovskite

Перовскит

Група материали, наречени перовскити, се използват за създаването на следващото поколение слънчеви панели, които в крайна сметка биха могли да бъдат два пъти по-ефективни от сегашните модели и достатъчно гъвкави, за да покриват цели сгради. Днешните силициеви слънчеви клетки могат да превърнат в енергия до 22% от слънчевата светлина, но това е почти максималното, което може да се постигне по отношение на ефективността. Перовскитите предлагат потенциал за драстично увеличаване на изходната мощност и в крайна сметка те биха могли да заместят изцяло силиция. Слънчевите клетки работят чрез преобразуване на фотоните на слънчевата светлина в електрически ток, който се движи между два електрода. Силициевите слънчеви клетки генерират електричество чрез поглъщане на фотони от видима и инфрачервена светлина, докато перовскитните клетки събират само видимата част от слънчевия спектър, където фотоните имат повече енергия. Ключова пречка за изграждането на ефективна комбинация перовскит-силиций е липсата на прозрачност.

Минералът перовскит, известен също като кристален калциев титанат, е открит за първи път г в Урал през 1839г. През последните години учени по целия свят са се фокусирали върху създаване на химични съединения на базата на кристалната структура на перовскита, но които са в състояние да генерират повече възобновяема електроенергия на по-ниска цена. Oxford PV използва синтетична версия, направена от евтини материали, които са в изобилие в земната кора, докато други компании използват вариации на оригиналния минерал, наречени общо перовскити. Освен подобрената слънчева ефективност, те работят по-добре от силиция на сянка, в облачни дни или дори на закрито. Перовскитите могат да бъдат отпечатани с помощта на мастилено-струен принтер и могат да бъдат тънки като тапет. Някои прогнозират, че перовскитните слънчеви клетки в крайна сметка могат да бъдат интегрирани в улични мебели, където те могат да захранват уличното осветление и да зареждат електронни устройства.

Тяхното леко тегло означава, че те имат потенциал да бъдат инсталирани на покривите по-лесно от силициевите панели. Други фирми работят по включването на своя перовскитен материал в асфалт, използван за покриви. Технологиите с перовскит в крайна сметка може да бъдат вградени в автомобили и самолети. Тъй като перовскитните слънчеви клетки работят по-добре от силиция при слаба светлина, полупрозрачните клетки могат да бъдат използвани за облицоване на сгради в застроени райони. С развитието на технологията перовскитът може да се отпечатва върху гъвкави ролки и така да бъде полаган върху най-различни повърхности. Надеждите на производителите са, че перовскитът в крайна сметка ще замени изцяло силиция и с развитието на технологията ще може да се пръска или да се разстила върху разнообразни гъвкави повърхности.

След като името перовскит се отнася до всяко съединение, което споделя същата кристална структура като минерала перовскит, известен също като калциев титанат, перовскитите, от които се интересува слънчевата индустрия, не се извличат от земната кора, а се синтезират в лаборатории. Вътре в тези синтетични (или „хибридни“) перовскити, смес от органични съединения, метали и халогениди (реактивни елементи, които включват хлорид, бромид и йодид) се полагат на калций и титан в кристалната решетка. Поради уникалната си структура и химичен състав, хибридните перовскити са изключително добри в абсорбирането на слънчевата светлина. Перовскитите не само са по-добри в абсорбирането на слънчева светлина от силиция, но е потенциално по-евтино да се произвеждат масово слънчеви клетки, за които се използват тези материали.

Докато силициевите клетки се произвеждат по сложен процес, който включва пречистване на силиций от кварц във високотемпературна пещ, перовскитите могат да бъдат произведени при ниски температури, използвайки далеч по-малко енергия, от евтини и лесно достъпни съставки. Компаниите вече работят по различни евтини техники за прилагане на перовскити върху поддържаща повърхност като парче стъкло, за да превърнат тази повърхност в тънкослойна слънчева клетка. Те включват мастиленоструйни принтери, спрейове на основата на перовскит и техники за производство на ролки от тънък слой материал, подобни на тези, използвани за печат на вестници. Все пак има и предизвикателства пред популяризирането на перовскитите като материал. Перовскитите се разтварят във вода, а топлината също не им влияе добре, като и двете са проблем, ако устройството, изградено от такъв материал, трябва да функционира на покрива в продължение на десетилетия.

Много изследвания показват, че влагата води до необратима деградация на перовскитните слоеве. Това води до образуването на оловно съединение, което е разтворимо във вода и по този начин може да замърси околната среда. По отношение на другия основен проблем със стабилността, а именно термичната стабилност, трябва да се отбележи, че тъй като по време на работа на слънчеви клетки температурата може силно да се повиши. При кристалографската структура, чувствителна към температура, може да настъпи влошаване на активния слой след излагане на устройството при повишени температури за средно дълго време. Все пак новите изследвания показват, че перовскитите могат да бъдат стабилизирани чрез определена промяна на химическия състав.

Въпреки интересните им характеристики (ниски производствени разходи и висока ефективност), за комерсиализацията им остават още няколко важни предизвикателства. Наред с нуждата от постигане на стабилност на клетките. Има нужда от разрешаване на проблема с екотоксичността, дължаща се на присъствието на разтворимо оловно съединение в клетките и увеличаване на мащаба на процеса, използван за получаване на перовскити с висока ефективност. Наскоро обаче бе постигнат напредък по тези основни проблеми, което дава надеждата, че слънчевите клетки, включително перовскитните слоеве, скоро ще бъдат комерсиализирани. Този напредък е реализиран върху трите основни слоя - перовскитен слой, електрон и отворените транспортни слоеве, както и върху архитектурата на клетките, подобрявайки тяхната ефективност и стабилност.

Освен това са направени много подобрения в тандемната структура, която може да се конкурира с кристални силициеви слънчеви клетки. Това е един икономически ефективен начин за подобряване на ефективността е изграждането на тандемно устройство от силиций и друг евтин фотоволтаичен материал. Подреждането на перовскити, кристален материал, върху конвенционална силициева слънчева клетка значително подобрява цялостната ефективност на клетката. От търговска гледна точка е логично да се използва силиций за долната клетка, като доскоро нямаше достатъчно подходящ материал за горната клетка, докато не се появиха перовскити. Учените са постигнали ефективност на перовскитите над 20%, съперничейки на предлаганите в търговската мрежа силициеви слънчеви клетки и породили широк интерес сред производителите на силиций.

снимка: Perovskite

Други материали

Въпреки че към момента перовскитите изглеждат най-обещаващи материали за слънчевата енергетика, които един ден да заместят силиция, по света се правят разработки и се извършват изследвания с цел производство на соларни клетки на основата на най-различни химични елементи и съединения. Изследователи от Сибирския федерален университет, заедно с колегите си от Кралския технологичен институт в Стокхолм, са открили нови свойства на материал на базата на паладий, които могат да увеличат производителността на слънчевите клетки. Паладиев диселенид е обещаващ материал, чиито свойства все още не са напълно проучени и могат да предложат възможности и за други начини за производство на енергия освен соларна енергия. Съобщава се например, че неговата двуизмерна форма може да бъде ефективна при фотокатализа - процес на разделяне на водата на водород и кислород при излагане на слънчева светлина, което може да се използва за производство на екологично гориво.

Изследователите са установили как да синтезират едно- и двуслойни версии на състава на паладиевия диселеник, но силните и слабите страни на тези материали доскоро оставаха неизвестни. Използвани са високоточни изчислителни методи за подробно проучване на електрическите и оптичните свойства на едно- и двуслойния материал на базата на паладиев диселенид, който се оказва, може да абсорбира слънчевата енергия по-ефективно от материал на силициева основа. Материалът демонстрира по-високи нива на преобразуване на слънчевата енергия в електрическа енергия поради по-широк спектър на поглъщане на енергия в сравнение с елементи на основата на силиций и следователно може значително да увеличи ефективността на соларните клетки.

Органичната фотоволтаика е част от т. нар. трето поколение фотоволтаични панели, заедно със сенсибилизирани с багрила слънчеви клетки (DSSC) и хибридни перовскитни слънчеви клетки (hPSC). Въпреки че все още е по-малко ефективна от другите технологии за слънчеви клетки, органичните фотоволтаици имат предимства, които ги правят интересни, защото може да са подходящи за специфични приложения. Гъвкавостта и лекотата ги правят полезни за преносими приложения, докато възможността за избор на цвета, формата и прозрачността предоставя възможности за вграждане в различни обекти в съответствие със естетически им характеристики. Освен това органичните фотоволтаични панели имат ниско енергийно време на възвръщаемост, свързани са с ниски нива на въглеродни емисии, и също така са ефективни при ниска интензивност на светлината (за вътрешни приложения). 

Сенсибилизираните с багрила слънчеви клетки (Dye-sensitized solar cells - DSC), считани за едно от най-обещаващите фотоволтаични устройства, са широко изследвани поради своята висока теоретична ефективност, лесни производствени процеси и потенциална ниска цена. Тези слънчеви клетки използват молекулярни багрила, за да поемат ефективно слънчевия спектър. През последните две десетилетия непрекъснатите изследователски усилия са допринесли за значителния напредък в представянето на DSC. Към днешна дата DSC устройствата, използващи система, базирана на цинк-порфирин, са показали ефективност от 13% при използване на течни електролити, което може да ограничи приложенията им на открито. Практически предимства са получени чрез заместване на течния електролит с органичен материал за транспортиране на дупки (HTM).