В лаборатории Swift Solar более дюжины пар резиновых перчаток до локтя висят горизонтально в воздухе, надутые, словно руки. Эти перчатки приводятся в движение газообразным азотом и выступают из стеклянных кожухов высотой до пояса. Эти рабочие зоны спроектированы так, чтобы оставаться сухими и герметичными для защиты сверхчувствительных материалов для солнечных элементов.
В углу техник Роджер Томпсон просовывает руки в пару и начинает вставлять небольшие стеклянные пластины в металлическую пластину. Вскоре конвейерная лента унесет пластину за металлическую дверь, где произойдет «магия черного ящика», как ее называет генеральный директор Swift Джоэл Джин, — нанесение химического покрытия, предназначенного для проведения электрического тока.
Swift, управляющая этим объектом в тихом промышленном районе Кремниевой долины, является одной из растущего числа компаний, экспериментирующих с технологией солнечной энергетики следующего поколения. Стартап стремится вывести на рынок коммерчески жизнеспособные солнечные элементы, которые накладывают традиционный кремний на материалы, называемые перовскитами.
Наложение этих двух материалов, которые поглощают разные длины волн солнечного света, позволяет солнечным панелям достигать более высокой эффективности и производить больше электроэнергии с одной панели. Это означает, что перовскитные тандемные солнечные элементы могут снизить затраты и увеличить долю возобновляемой электроэнергии в общей сети.
Потенциал огромен. Однако компании и ученые экспериментируют с этой технологией более десяти лет, но так и не добились коммерческого внедрения. В качестве солнечного материала перовскиты крайне капризны — они чувствительны к воде, теплу и свету. И некоторые исследователи предупреждают, что время может истекать.
«У меня такое ощущение, что если в ближайшие два-три года перовскитных продуктов не появится, рынок может утратить уверенность в этой технологии», — говорит Бин Чен, доцент-исследователь, занимающийся технологией перовскитов в Северо-Западном университете.
Исследователи и стартапы, включая Swift, лихорадочно работают над созданием этих продуктов, воодушевленные недавним прогрессом в повышении долговечности перовскитов. За последние месяцы некоторые из крупнейших мировых производителей солнечной энергии также выразили свою поддержку этой технологии, инвестируя в опытные производственные линии или приобретая стартапы, занимающиеся перовскитами.
Теперь этим компаниям предстоит доказать, что они могут преодолеть проблемы, которые преследовали перовскиты годами, при этом производя миллионы панелей, демонстрирующих рекордно высокую эффективность.
«На спине» кремния
Ключом к успеху для перовскитов, по мнению многих этих компаний, станет их интеграция с проверенными солнечными технологиями, что могло бы придать перовскитам некоторую стабильность и заслуженное доверие рынка.
«Основная точка входа перовскитов на рынок — это, буквально, размещение их на кремниевой основе», — говорит Барри Рэнд, профессор электротехники и компьютерной инженерии Принстонского университета.
Сегодня более 90% солнечных панелей, продаваемых в мире, изготовлены из кристаллического кремния. Десятилетия опыта работы с этой технологией означают, что разработчики знают, как планировать проекты с ее использованием, а финансисты знают, как оценивать инвестиции в проекты, где она применяется.
Наложение перовскитов на эти панели может дать солнечному бизнесу преимущество в высококонкурентной отрасли. «Если вы сможете это реализовать — создать лучший солнечный модуль — вы на этом заработаете», — говорит Дженни Чейз, аналитик по солнечной энергетике из исследовательской службы BloombergNEF. «Идея состоит в том, чтобы создать нечто, что будет дешевле в производстве на ватт, а затем продавать это с премией, поскольку эффективность будет очень высокой».
Сказать — проще, чем сделать. Перовскиты, состоящие из галогенидов металлов и обладающие уникальной кристаллической структурой, сталкиваются с двумя основными проблемами: повышением долговечности и масштабированием производства. Перовскиты могут вступать в реакцию с кислородом в воздухе или разрушаться под воздействием света — что является довольно серьезной проблемой для любого солнечного продукта.
Для создания более стабильных перовскитных тандемных структур компании планируют наносить перовскиты на другие солнечные элементы, используя вакуумное напыление, печать (как чернила в газете) и даже «центрифугирование» (spin-coating), техника, напоминающая арт-объекты из 90-х. Изменение состава перовскитного слоя также может помочь продлить срок их службы.
Чен и Рэнд сотрудничают в рамках двух недавно финансируемых инициатив, поддержанных миллионами долларов от Министерства энергетики США, для тестирования конфигураций перовскит-кремний, которые могут быть более долговечными и быстрее выводиться на рынок. Среди других участников — университеты, несколько стартапов, занимающихся перовскитами (включая Swift), и Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии США.
Стойкость
Рэнд, чья команда в Принстоне изучает способы предотвращения деградации перовскитов, говорит, что за последние семь лет отрасль добилась больших успехов. Современные панели теперь лучше герметизированы для защиты от влаги. Сейчас, по его словам, дело просто в исключении — определении того, какие химические компоненты в ячейке с наибольшей вероятностью вступят в реакцию, и их замене. Но он не считает, что дальнейшие эксперименты должны сдерживать коммерциализацию.
«Результаты, я думаю, достаточно многообещающие, чтобы делать эти инвестиции, — говорит он. — Но не следует думать, что [это] «работа сделана». Еще предстоит добиться множества прорывов, в основном касающихся стабильности».
Томас Лейтиенс, соучредитель и технический директор Swift, заявляет, что их компания теперь может подвергать свои ячейки воздействию температур до 70 °C при работе под светом без деградации. «Это было немыслимо пять лет назад», — говорит он, сидя за столом, украшенным моделью перовскита горячего розового цвета.
Однако отрасль должна гарантировать, что каждая ячейка будет обладать такой долговечностью; по всему миру ежегодно производятся сотни миллионов солнечных панелей, каждая из которых содержит десятки ячеек. Прежде чем их можно будет использовать в проектах, панели должны пройти строгие отраслевые испытания, такие как выдерживание резких перепадов температуры, влажности и града. Swift, основанная в 2017 году, еще не начала независимые испытания; пока компания подвергает свои ячейки некоторым из этих условий в собственной лаборатории и подключила одну панель на своей крыше.
Стартапы вроде Swift и Oxford PV — британская компания, выросшая из университетской исследовательской лаборатории, где когда-то работали некоторые основатели Swift, — работают бок о бок с крупнейшими компаниями отрасли, чтобы вывести тандемы на рынок. Oxford PV заявляет, что начнет отгрузку перовскитных тандемных панелей заказчикам в этом году. В мае аризонская компания First Solar, крупнейший производитель солнечных батарей в США, приобрела европейскую перовскитную компанию под названием Evolar.
В заявлении о приобретении Evolar генеральный директор First Solar Марк Видмар заявил, что компания убеждена, что «высокоэффективные тандемные фотоэлектрические модули определят будущее». Всего через несколько дней корейская Hanwha Q Cells, еще один ведущий производитель, объявила об инвестировании 100 миллионов долларов в создание опытной линии перовскитных тандемов. В 2022 году Q Cells помогла запустить Pepperoni, европейское сотрудничество по развитию тандемных технологий.
Исследователи, работающие над перовскитами, полагают, что коммерческие тандемные элементы могут появиться через годы, а не десятилетия. Джин говорит, что Swift надеется представить продукт для коммерциализации в течение четырех лет. Стимулы в «Законе о снижении инфляции» (Inflation Reduction Act), включающие кредиты для американской чистой энергетики, должны помочь.
Однако у перовскитов есть как скептики, так и сторонники. Чейз утверждает, что сегодняшних кремниевых панелей уже достаточно для перехода мира на чистую энергию и борьбы с изменением климата. Она давно сомневается в способности перовскитов нарушить статус-кво в солнечной индустрии. «Вы не можете добиться успеха с помощью полупроводниковой технологии, которой нет импульса, — говорит она. — Вам нужна технология, которая работает».
Учитывая, сколько солнечной энергии потребуется для декарбонизации энергосистемы, сторонники перовскитов заявляют, что каждый дополнительный процент эффективности будет иметь значение.
«Хотя верно, что кремний великолепен, тандемы лучше», — говорит Лейтиенс. «В борьбе с изменением климата нам нужно ускоряться, а не просто говорить: «О, этого достаточно — мы закончили». Все можно и нужно совершенствовать».
