Кремний стал практически синонимом солнечных панелей. Этот материал используется примерно в 95% панелей, представленных сегодня на рынке. Однако кремниевые фотоэлементы имеют ограничения по максимальному объему энергии, которую они могут уловить от Солнца, и их производство остается относительно дорогим.
На протяжении многих лет соединения, известные как перовскиты, считались многообещающей альтернативой — потенциально более дешевым, легким и эффективным материалом для солнечной энергетики. Несмотря на ажиотаж и появление множества стартапов, стремящихся коммерциализировать эту технологию, некоторые эксперты предостерегают: перовскитным солнечным элементам до того, как они окажут заметное коммерческое влияние, может потребоваться почти десятилетие, если это вообще произойдет.
Хотя недавние исследования демонстрируют прогресс в ключевых показателях перовскитных ячеек, в частности в эффективности, реальность такова, что этим материалам еще далеко до способности выдерживать условия реального мира.
«Мне кажется, что всё сообщество, работающее с перовскитами, создает обманчивое впечатление о том, что переход к коммерции не за горами», — заявляет Мартин Грин, исследователь солнечных материалов из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии.
Перовскиты — это класс синтетических материалов, которые исключительно эффективно поглощают солнечный свет и относительно легко наносятся на поверхности, образуя дешевые солнечные элементы, способные преобразовывать солнечную энергию в электричество.
Хотя кремний имеет значительное преимущество по ключевым метрикам, используемым исследователями для оценки солнечных материалов, перовскиты быстро догоняют. Это особенно заметно в отношении эффективности — доли солнечной энергии, которую ячейка преобразует в электричество. И кремний, и перовскиты недавно установили рекорды эффективности, превышающие 25%.
Быстрый прогресс в исследованиях перовскитов привлек большое количество ученых, стремящихся использовать потенциал этих материалов. Научные публикации сообщают о новых достижениях, и финансирование следует за ними. Например, Министерство энергетики США предлагает призовой фонд для стартапов, работающих с перовскитами (American-Made Challenges Perovskite Startup Prize).
Ряд стартап-компаний, таких как Microquanta Semiconductor, Oxford PV и Saule Technologies, привлекли миллионы инвестиций и даже установили демонстрационные проекты.
Однако, несмотря на весь шум, есть несколько ключевых причин, по которым ваша следующая установка солнечных панелей, скорее всего, не будет работать на перовскитах. Главная из них: они слишком хрупкие.
Стоит признать, что они стали прочнее, чем были раньше. Перовскиты раньше распадались за то время, которое требовалось исследователям, чтобы донести свежеизготовленный образец из лаборатории для тестирования. «Это неправда уже около десяти лет», — отмечает Джозеф Берри, исследователь перовскитов в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL).
Но стабильность остается серьезной проблемой.
В одном недавнем исследовании, опубликованном в журнале Science в апреле, ученые обнаружили новый способ создания перовскитных солнечных элементов с добавками, которые улучшили как эффективность, так и срок службы. Ячейки выдержали 1500 часов воздействия высокой температуры и влажности в лабораторных условиях.
Проблема заключается в переносе этих результатов в реальные условия эксплуатации. Исследователям крайне сложно смоделировать все аспекты реального мира, а кремний установил очень высокую планку: многие производители гарантируют, что их панели сохранят 80% своей производительности в течение 30 или даже 40 лет.
В ходе недавних полевых испытаний перовскитные ячейки демонстрировали работу более чем на 90% от начальных показателей всего за несколько месяцев. Но потеря почти 10% производительности за такой срок неприемлема.
Есть еще один нюанс: все эти тесты проводились на крошечных ячейках. Увеличение масштабов производства перовскитов и создание более крупных элементов, которые можно соединять в полноразмерные солнечные панели, часто приводит к снижению эффективности и срока службы.
Эти проблемы означают, что день, когда перовскиты захватят рынок солнечной энергии, не так близок или неизбежен, как это представляют некоторые исследователи, — считает Грин.
Тонкая настройка перовскитов с помощью стабилизирующих добавок и материалов, защищающих их от внешних воздействий, в конечном итоге может позволить этим солнечным элементам служить несколько десятилетий в нормальных условиях эксплуатации, полагает Летиан Доу, исследователь перовскитов из Университета Пердью. Однако он прогнозирует, что для достижения значительного коммерческого прорыва перовскитам потребуется не менее десяти лет.
Несмотря на все трудности, существует реальная потребность в других типах солнечных элементов. Это особенно актуально сейчас, когда спрос на солнечные материалы взрывообразно растет, отмечает Дженни Чейз, глава отдела анализа солнечной энергетики в BloombergNEF.
И перовскитам не обязательно конкурировать напрямую с кремнием, поскольку их можно использовать в тандемных ячейках, где слой перовскита накладывается поверх кремниевой ячейки. Поскольку эти два материала поглощают разные длины волн света, они могут дополнять друг друга.
Ничего из этого, вероятно, не произойдет, пока кто-нибудь не сможет создать перовскитные солнечные элементы, которые будут намного более стабильными. Но исследователи, безусловно, не отказываются от этой мечты. Как заключает Грин: «Все еще есть шанс, что кто-нибудь действительно добьется успеха».
