Солнечным панелям приходится несладко. Они постоянно подвергаются воздействию солнца, жары и влажности — а ведь панели, установленные сегодня, должны служить 30 лет и дольше.
Но как нам быть уверенными, что новые солнечные технологии выдержат испытание временем? Меня всегда волновал вопрос прогнозирования того, как новые материалы покажут себя в десятилетиях тяжелейших условий эксплуатации. Это особенно сложно для одной из развивающихся областей — перовскитов. Это класс материалов, который разработчики все чаще хотят применять в солнечных панелях благодаря высокой эффективности и низкой стоимости.
Проблема в том, что перовскиты печально известны своей способностью разрушаться под воздействием высоких температур, влаги и яркого света — то есть всего того, с чем им придется сталкиваться в реальном мире. Учитывая срочность климатического кризиса, мы не можем просто ждать десятилетиями, тестируя различные ячейки в полевых условиях на предмет ожидаемого срока службы солнечной панели. Однако есть и хорошие новости: исследователи добились успехов как в продлении срока службы перовскитных материалов, так и в разработке методов прогнозирования того, какие материалы окажутся долговечными.
Почти еженедельно появляются новости о рекордных достижениях в области перовскитных солнечных материалов. Последнее такое объявление сделала компания Oxford PV — в январе они сообщили, что один из их модулей достиг эффективности преобразования в 25%, то есть четверть падающей на панель солнечной энергии превратилась в электричество. Большинство современных высококлассных коммерческих панелей имеют эффективность около 20%, хотя некоторые модели превышают 23% (подробнее здесь).
Это улучшение, хоть и кажется постепенным, весьма значимо и стало возможным благодаря совместной работе. Oxford PV и другие компании работают над внедрением тандемных солнечных технологий. Эти панели по сути представляют собой сэндвичи, объединяющие слои кремния (материала, доминирующего на сегодняшнем рынке) и перовскитов. Поскольку два материала поглощают разные длины волн света, их можно укладывать друг на друга, получая суммарно более эффективный солнечный элемент.
Мы наблюдаем большие успехи в тандемных технологиях, что и побудило нас включить супеэффективные тандемные солнечные элементы в список «Прорывных технологий 2024 года». Но главная преграда на пути — это печально известная склонность перовскитов к деградации.
Ранние перовскитные солнечные элементы разрушались настолько быстро, что исследователям приходилось бегом переносить их из лаборатории, где их изготавливали, к тестовому оборудованию, чтобы успеть измерить их эффективность, прежде чем материалы теряли способность поглощать свет.
Хотя сегодня срок службы перовскитных материалов уже не так мимолетен, неясно, решена ли эта проблема полностью.
Были проведены некоторые полевые испытания новых перовскитных солнечных материалов с неоднозначными результатами. Oxford PV не опубликовала подробных данных, однако, как заявил технический директор Крис Кейс журналу Nature в прошлом году, их уличные тесты показывают, что лучшие ячейки теряют всего около 1% своей эффективности в первый год эксплуатации, после чего скорость деградации замедляется.
Другие испытания в более суровых условиях дали менее радужные результаты. Одно академическое исследование показало, что перовскитные ячейки в жаркой и влажной Саудовской Аравии потеряли 20% своей эффективности всего за год эксплуатации.
Это результаты всего лишь одного года испытаний. Как же нам предсказать, что произойдет через 30 лет?
Поскольку у нас нет десятилетий для тестирования каждого нового материала, придуманного учеными, исследователи часто подвергают их максимально жестким лабораторным условиям, повышая температуру и направляя яркий свет на модули, чтобы увидеть, как быстро они деградируют.
Такое тестирование является стандартом для кремниевых солнечных панелей, которые сегодня занимают более 90% коммерческого рынка. Однако исследователи все еще пытаются установить, насколько хорошо корреляция с известными тестами будет применима к новым материалам, таким как перовскиты.
Одна из проблем состоит в том, что свет, влага и тепло по отдельности способствуют быстрому разрушению перовскитов. Но до сих пор не было ясно, какой именно фактор или их комбинация будет оптимальной для лабораторных испытаний, чтобы надежно предсказать реальные условия эксплуатации.
Одно исследование, опубликованное в прошлом году в Nature, предположило, что комбинация высокой температуры и освещения станет ключом к ускоренным тестам, надежно предсказывающим характеристики на открытом воздухе. Исследователи обнаружили, что тесты при повышенной температуре, длящиеся всего несколько сотен часов (около двух недель), хорошо соотносятся с почти шестью месяцами работы при уличных испытаниях.
Компании заявляют, что начинают выводить новые солнечные материалы на рынок уже в этом году. Вскоре мы сможем по-настоящему увидеть, насколько хорошо эти тесты предсказывают способность новых технологий выдерживать ту тяжелую работу, которую должна выполнять коммерческая солнечная панель. Я, безусловно, буду следить за развитием событий.
Связанное чтение
Больше о том, почему супеэффективные тандемные солнечные элементы вошли в наш список 10 прорывных технологий 2024 года, можно прочитать здесь.
Вот как выглядит гонка за внедрением этих солнечных технологий нового поколения в массовое производство.
Перовскиты уже много лет называют самой многообещающей новинкой в солнечной энергетике. В чем же была задержка? Короче говоря: стабильность, стабильность и еще раз стабильность.
Разъяснение
Добро пожаловать в удивительный мир виртуальных электростанций (ВЭС). Хотя это и не физические объекты, ВЭС могут оказать реальное влияние на сокращение выбросов, объединяя различные части энергосистемы для удовлетворения спроса на электроэнергию.
Что такое ВЭС? Как она работает? Что все это значит для климатических действий? Ответы на эти и другие вопросы вы найдете в свежем материале моего коллеги Джун Ким.
Еще две темы
Распыление мелких частиц в верхних слоях атмосферы может помочь отражать солнечный свет, замедляя глобальное потепление. Хотя эта идея, называемая солнечной геоинженерией, звучит фантастично, возможно, небольшие шаги в этом направлении могут быть предприняты в течение десятилетия, как пишут Дэвид Кит и Вейк Смит в новой колонке. Читайте подробнее о том, как геоинженерия может начаться, и что эти эксперты советуют предпринять по этому поводу.
США приостанавливают экспорт сжиженного природного газа (СПГ). Этот шаг вызвал широкий спектр реакций и множество вопросов о последствиях для выбросов. Как пишет Арвинд Равикумар в своей колонке, люди задают не те вопросы о СПГ. Будет ли это хорошим решением, зависит от того, что этот вид топлива призван заменить. Полную точку зрения читайте здесь.
Следим за климатом
В эпоху более мощных ураганов некоторые ученые считают, что наша нынешняя система оценки не успевает за изменениями. Добавление Категории 6 могло бы помочь нам классифицировать сверхмощные штормы. (Inside Climate News)
→ Вот что мы знаем об ураганах и изменении климата. (MIT Technology Review)
Периферийная идея о размещении гигантских солнечных экранов в космосе для охлаждения планеты набирает обороты. Или, как вариант, можно, знаете ли, прекратить сжигать ископаемое топливо? (New York Times)
На рельсы выходят поезда на водородном топливе. Вот почему эксперты считают, что это может быть не самое лучшее применение для водорода. (Canary Media)
По данным губок, мы уже проскочили климатические цели. Ученые, изучавшие скелеты существ, называемых склероспонгиями, пришли к выводу, что антропогенное изменение климата, вероятно, повысило температуру на 1,7 °C (3,1 °F) с конца XIX века. (New York Times)
Столетний закон, о котором вы никогда не слышали, замедляет развитие морской ветроэнергетики в США. Требование использовать только американские суда в прибрежных водах страны (Закон Джонса) вызывает задержки в развитии отрасли морских ветропарков. (Hakai Magazine)
→ Что ждет морскую ветроэнергетику, включая сроки появления первого американского судна. (MIT Technology Review)
Сортировка вторсырья — сложная задача, но ИИ может помочь. Новые системы сортировки могут спасти больше пластика от свалки, хотя внедрение новых технологий на сортировочных мощностях останется серьезным вызовом. (Washington Post)
