Перовскитная солнечная батарея: Перовскитные солнечные батареи: преимущества и недостатки

Эволюция перовскитных солнечных батарей: от гибридных к неорганическим

Источник: science.theoryandpractice.ru

Ученые из Сколтеха, Института проблем химической физики РАН и МГУ продемонстрировали возможность создания высокоэффективных полностью неорганических перовскитных солнечных батарей с планарным гетеропереходом на основе пленок CsPbI3, выращенных путем вакуумного соосаждения йодидов свинца и цезия. Изготовленные устройства показали высокие КПД преобразования света (10.5%), сопоставимые с показателями фотопреобразователей на основе классических гибридных материалов, таких как Ch4Nh4PbI3 (КПД~12%). Полученные результаты однозначно свидетельствуют о значительных перспективах использования неорганических комплексных галогенидов свинца с перовскитной структурой как материалов для солнечных элементов. Ученые надеются, что перовскитные солнечные батареи на основе неорганических материалов покажут высокую эксплуатационную стабильность, необходимую для успешного практического внедрения этой передовой технологии.

В настоящее время КПД преобразования света в солнечных батареях на основе органо-неорганических гибридных перовскитных материалов APbI3 (A=Ch4Nh3+ или HC (Nh3)2+) достигает 22% для лучших лабораторных образцов, приближаясь к характеристикам фотоэлементов на основе кристаллического кремния. Высокая эффективность, низкая себестоимость и простота изготовления гибридных перовскитных солнечных батарей позволяют считать их одной из наиболее перспективных технологий фотоэлектрических преобразователей. К сожалению, коммерциализация этого типа устройств пока затруднена из-за их чрезвычайно низкой эксплуатационной стабильности. Гибридные комплексные йодоплюмбаты, содержащие в своей структуре органические катионы, легко подвергаются термическому и фотохимическому разложению, что затрудняет их практическое использование в солнечных панелях. Наиболее эффективным подходом к созданию стабильных перовскитных материалов представляется полная замена органических катионов (метиламмония, формамидиния) на неорганические. Однако эффективность солнечных батарей на основе неорганических перовскитных материалов долгое время оставалась невысокой по сравнению с их гибридными аналогами, такими как Ch4Nh4PbI3. Например, солнечные батареи на основе пленок CsPbI3, полученных осаждением из раствора, показали эффективности преобразования света всего 2-3%.

Павел Трошин, один из членов исследовательского коллектива, профессор Центра электрохимического запасания энергии Сколтеха: «В данной работе мы убедительно продемонстрировали возможность создания высокоэффективных солнечных батарей с планарным гетеропереходом на основе пленок CsPbI3, полученных путем термического соиспарения йодидов цезия и свинца. Изготовленные устройства показали эффективности преобразования света более 10%, высокую воспроизводимость электрических характеристик от образца к образцу и сравнительно небольшой гистерезис в вольтамперных характеристиках. Контрольные образцы солнечных элементов с аналогичной архитектурой на основе пленок гибридного перовскита Ch4Nh4PbI3 обладали сопоставимыми эффективностями 10-12%. Полученные результаты однозначно указывают на высокий потенциал неорганических комплексных галогенидов, что открывает принципиально новые возможности для направленного дизайна новых фотоактивных материалов для эффективных и стабильных перовскитных солнечных батарей.»

Результаты работы опубликованы в журнале Journal of Physical Chemistry Letters.

*protected email*

Российские учёные повысили эффективность перовскитных солнечных батарей

Перовскитные солнечные элементы | Министерство энергетики

Офис технологий солнечной энергии

Управление технологий солнечной энергии Министерства энергетики США (SETO) поддерживает проекты исследований и разработок, которые повышают эффективность и срок службы гибридных органических и неорганических перовскитных солнечных элементов, ускоряют коммерциализацию перовскитных солнечных технологий и снижают производственные затраты.

Перовскитовый солнечный элемент.

Деннис Шредер / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии

Что такое перовскитные солнечные элементы?

Галогенидные перовскиты представляют собой семейство материалов, которые продемонстрировали потенциал высокой производительности и низких производственных затрат в солнечных элементах. Название «перовскит» происходит от прозвища их кристаллической структуры, хотя другие типы негалогенидных перовскитов (например, оксиды и нитриды) используются в других энергетических технологиях, таких как топливные элементы и катализаторы.

Солнечные элементы на основе перовскита продемонстрировали значительный прогресс в последние годы с быстрым повышением эффективности: от примерно 3 % в 2009 году до более 25% сегодня. Хотя перовскитные солнечные элементы стали очень эффективными за очень короткое время, остается ряд проблем, прежде чем они смогут стать конкурентоспособной коммерческой технологией.

Направления исследований

Компания SETO определила четыре основные проблемы, которые необходимо решить одновременно, чтобы перовскитовые технологии были коммерчески успешными. Каждая задача представляет собой уникальный набор барьеров и требует достижения конкретных технических и коммерческих целей. Офис поддерживает проекты, направленные на решение этих проблем, в рамках нескольких программ финансирования, в том числе SETO FY2021 Small Innovation Projects in Solar (SIPS), SETO 2020 Photovoltaics и SETO FY20 Perovskite программы финансирования, а также Perovskite Startup Prize.

Узнайте больше о взглядах SETO на перовскиты в нашей статье Energy Focus и в нашем запросе информации о целевых показателях.

Стабильность и долговечность

Перовскитные солнечные элементы продемонстрировали конкурентоспособную эффективность преобразования энергии (PCE) с потенциалом для более высокой производительности, но их стабильность ограничена по сравнению с ведущими фотогальваническими (PV) технологиями. Перовскиты могут разлагаться при взаимодействии с влагой и кислородом или при длительном воздействии света, тепла или приложенного напряжения. Чтобы повысить стабильность, исследователи изучают деградацию как самого материала перовскита, так и окружающих слоев устройства. Повышенная долговечность элементов имеет решающее значение для разработки коммерческих перовскитных солнечных продуктов.

Несмотря на значительный прогресс в понимании стабильности и деградации перовскитных солнечных элементов, в настоящее время они не являются коммерчески жизнеспособными из-за их ограниченного срока службы. Коммерческие приложения за пределами энергетического сектора могут допустить более короткий срок службы, но даже это потребует улучшения таких факторов, как стабильность устройства во время хранения. Для массового производства солнечной энергии технологии, которые не могут работать более двух десятилетий, вряд ли будут успешными, независимо от других преимуществ.

Ранние перовскитовые устройства быстро разрушались, становясь нефункциональными в течение нескольких минут или часов. Теперь несколько исследовательских групп продемонстрировали срок службы в несколько месяцев работы. Для коммерческого производства электроэнергии на уровне сети SETO планирует срок службы не менее 20 лет, а предпочтительно более 30 лет.

Сообщество, занимающееся исследованиями и разработками (НИОКР) перовскитных фотоэлектрических элементов, в значительной степени сосредоточено на сроке службы и рассматривает несколько подходов для понимания и улучшения стабильности и снижения деградации. Усилия включают улучшенную обработку для снижения реакционной способности поверхности перовскита, альтернативные материалы и составы для перовскитных материалов, альтернативные окружающие слои устройства и электрические контакты, усовершенствованные герметизирующие материалы и подходы, которые уменьшают источники деградации во время изготовления и эксплуатации.

Одной из проблем, связанных с оценкой деградации перовскитов, является разработка последовательных методов тестирования и проверки. Исследовательские группы сообщают о результатах производительности, основанных на самых разных условиях испытаний, включая различные подходы к инкапсуляции, состав атмосферы, освещение, электрическое смещение и другие параметры. Несмотря на то, что такие разнообразные условия испытаний могут дать информацию и ценные данные, отсутствие стандартизации затрудняет прямое сравнение результатов и затрудняет прогнозирование эксплуатационных характеристик по результатам испытаний.

Эффективность преобразования энергии в масштабе

В лабораторных устройствах небольшой площади перовскитные фотоэлементы превзошли почти все тонкопленочные технологии (кроме технологий III-V) по эффективности преобразования энергии, демонстрируя быстрые улучшения за последние пять лет. Однако высокоэффективные устройства не обязательно были стабильными или их можно было производить в больших масштабах. Для широкого применения перовскитов будет необходимо поддерживать такую ​​высокую эффективность при достижении стабильности в модулях большой площади. Дальнейшее повышение эффективности модулей средней площади может оказаться полезным для мобильных устройств, аварийно-спасательных служб или рынков оперативной энергии, где критически важны легкие и мощные устройства.

Рекорды эффективности перовскитных фотоэлементов по сравнению с другими фотоэлектрическими технологиями, с текущими рекордами 25,7% для перовскитных устройств с одним переходом и 29,8% для тандемных перовскит-кремниевых устройств (по состоянию на 26 января 2022 г.).

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии

Перовскиты можно настроить так, чтобы они реагировали на различные цвета в солнечном спектре, путем изменения состава материала, и различные составы продемонстрировали высокую эффективность. Эта гибкость позволяет комбинировать перовскиты с другим, по-разному настроенным поглощающим материалом, чтобы обеспечить большую мощность от одного и того же устройства. Это известно как архитектура тандемного устройства. Использование нескольких фотоэлектрических материалов позволяет тандемным устройствам иметь потенциальную эффективность преобразования энергии более 33%, что является теоретическим пределом для фотоэлектрической ячейки с одним переходом. Перовскитные материалы могут быть настроены так, чтобы использовать части солнечного спектра, которые кремниевые фотоэлектрические материалы не могут использовать очень эффективно, а это означает, что они являются отличными партнерами по гибридному тандему. Также можно объединить два перовскитных солнечных элемента разного состава для получения тандема перовскит-перовскит. Перовскит-перовскитные тандемы могут быть особенно конкурентоспособными в секторах мобильной связи, реагирования на стихийные бедствия и оборонных операций, поскольку они могут быть превращены в гибкие и легкие устройства с высоким соотношением мощности к весу.

Технологичность

Для обеспечения коммерческого производства перовскитных солнечных элементов требуется расширение производства перовскита. Обеспечение масштабируемости и воспроизводимости процессов может увеличить производство и позволить перовскитным фотоэлектрическим модулям соответствовать или превысить цели SETO по приведенной стоимости электроэнергии для фотоэлектрических систем.

Солнечные элементы на основе перовскита представляют собой тонкопленочные устройства, состоящие из слоев материалов, либо напечатанных, либо покрытых жидкими чернилами, либо нанесенных методом вакуумного осаждения. Производство однородного высокопроизводительного перовскитного материала в условиях крупномасштабного производства затруднено, и существует существенная разница в эффективности ячеек малой площади и эффективности модулей большой площади. Будущее производства перовскита будет зависеть от решения этой проблемы, которая остается активной областью работы в исследовательском сообществе PV.

Многие из этих методов, используемых для производства перовскитовых устройств в лабораторных масштабах, нелегко масштабировать, но прилагаются значительные усилия для применения масштабируемых подходов к производству перовскита. Для тонкопленочных технологий их можно разделить на два основных типа производства:

• Лист за листом: Слои устройства наносятся на жесткое основание, которое обычно действует как передняя поверхность готового солнечного модуля. Этот подход обычно используется в производстве тонких пленок из теллурида кадмия (CdTe).
• Roll-to-Roll:  Слои устройства наносятся на гибкую основу, которую затем можно использовать как внутреннюю или внешнюю часть готового модуля. Исследователи опробовали этот подход для других фотоэлектрических технологий, но рулонная обработка не получила коммерческого распространения из-за ограничений производительности этих технологий. Однако он широко используется для производства фотографических и химических пленок и бумажных изделий, таких как газеты.

Если перовскиты могут быть надежно изготовлены с использованием этих масштабируемых подходов к производству, у них есть потенциал для более быстрого увеличения мощности, чем у кремниевых фотоэлектрических. Оба эти процесса хорошо зарекомендовали себя в других отраслях, поэтому существующие знания и цепочки поставок можно использовать для дальнейшего снижения затрат и рисков масштабирования.

Дополнительными препятствиями для коммерциализации являются потенциальное воздействие перовскитовых материалов на окружающую среду, которые в основном основаны на свинце. Таким образом, альтернативные материалы изучаются для оценки, снижения, смягчения и потенциального устранения токсичности и экологических проблем.

Валидация технологии и рентабельность

Валидация, проверка эффективности и кредитоспособность — обеспечение готовности финансовых учреждений финансировать проект или предложение по разумным процентным ставкам — необходимы для коммерциализации перовскитных технологий. Изменчивость протоколов тестирования и отсутствие достаточных полевых данных ограничили возможность сравнения производительности перовскитных устройств и уверенность в долгосрочном рабочем поведении.

Текущие протоколы тестирования солнечных фотоэлектрических устройств были разработаны для существующих основных фотоэлектрических технологий. Они включают в себя тестирование в помещении с использованием протоколов, которые также могут точно предсказать производительность кремниевых и CdTe солнечных элементов на открытом воздухе, которые разлагаются совсем иначе, чем перовскитные технологии. Объективная, надежная проверка с использованием протоколов испытаний, которые могут надлежащим образом отображать реальные виды отказов, имеет решающее значение для повышения доверия к перовскитным технологиям, что необходимо для обеспечения инвестиций в масштабирование и развертывание производства. Быстро меняющиеся составы материалов и устройств перовскитных солнечных элементов делают эту стандартизированную проверку особенно сложной и важной.

SETO финансирует Перовскитовый фотогальванический ускоритель для коммерциализации технологий (PACT) Центр проверки и финансовой приемлемости для решения этих проблем. PACT проведет полевые и лабораторные испытания, разработает и утвердит протоколы ускоренных испытаний и модели выхода энергии, а также проведет технические и коммерческие исследования рентабельности, чтобы улучшить наше понимание и уверенность в долговечности перовскитных фотоэлектрических технологий в реальных условиях.

SETO также разработала целевые показатели эффективности для поддержки путей коммерциализации перовскитных фотоэлектрических элементов на основе Целевых показателей для программ исследований, разработок и демонстраций перовскитовых фотоэлектрических систем. Запрос на информацию (RFI). Эти цели по эффективности, стабильности и воспроизводимости перовскитных фотоэлектрических устройств могут согласовать направления и цели исследований, гарантируя актуальность будущих программ финансирования и ускоряя техническое и коммерческое развитие и снижение рисков перовскитных технологий.

SETO Перовскит Финансирование исследований и разработок

• SETO FY2021 Малые инновационные проекты в области солнечной энергетики (SIPS)
• Вызовы американского производства: приз за перовскитовый стартап
• SETO FY2020 Программа финансирования перовскита
• SETO FY2020 Фотогальваника
• SETO FY2020 Small Innovation Projects in Solar (SIPS)
• SETO FY2019 Фотогальваника
• SETO FY2018 Фотогальваника
• Исследования и разработки в области фотоэлектричества: небольшие инновационные проекты в области солнечной энергетики (PVRD-SIPS)
• Фотогальваника следующего поколения 3

Дополнительная информация

• Ознакомьтесь с точкой зрения SETO на пути к коммерциализации перовскита.
• Ознакомьтесь с выводами SETO по целевым показателям эффективности программ исследований, разработок и демонстраций перовскитовых фотоэлектрических систем. Запрос информации.
• Посетите нашу карту солнечных проектов и выполните поиск по слову «перовскит», чтобы узнать больше об этих проектах.
• Ознакомьтесь с исследованиями SETO PV.
• Узнайте больше об основах фотоэлектрических технологий.
• Подпишитесь на нашу рассылку , чтобы быть в курсе последних новостей.

Объяснение: почему перовскиты могут вывести солнечные элементы на новый уровень | Новости Массачусетского технологического института

Перовскиты перспективны для создания солнечных панелей, которые можно было бы легко наносить на большинство поверхностей, включая гибкие и текстурированные. Эти материалы также будут легкими, дешевыми в производстве и столь же эффективными, как и ведущие сегодня фотоэлектрические материалы, которые в основном состоят из кремния. Они являются предметом растущих исследований и инвестиций, но компаниям, стремящимся использовать их потенциал, необходимо решить некоторые оставшиеся препятствия, прежде чем солнечные элементы на основе перовскита смогут стать коммерчески конкурентоспособными.

Термин «перовскит» относится не к конкретному материалу, подобному кремнию или теллуриду кадмия, другим ведущим претендентам в фотогальванической области, а к целому семейству соединений. Семейство солнечных материалов перовскита названо в честь его структурного сходства с минералом перовскитом, который был открыт в 1839 году и назван в честь русского минералога Л. А. Перовского.

Исходный минерал перовскит, представляющий собой оксид кальция и титана (CaTiO ₃ ), имеет характерную кристаллическую конфигурацию. Он имеет трехчастную структуру, компоненты которой обозначены буквами A, B и X, в которых переплетаются решетки различных компонентов. Семейство перовскитов состоит из множества возможных комбинаций элементов или молекул, которые могут занимать каждый из трех компонентов и образовывать структуру, аналогичную структуре исходного перовскита. (Некоторые исследователи даже немного нарушают правила, называя другие кристаллические структуры с подобными элементами «перовскитами», хотя это не одобряется кристаллографами.)

«Вы можете смешивать и сочетать атомы и молекулы в структуру с некоторыми ограничениями. Например, если вы попытаетесь втиснуть в структуру слишком большую молекулу, вы исказите ее. В конце концов вы можете заставить трехмерный кристалл разделиться на двумерную многослойную структуру или полностью потерять упорядоченную структуру», — говорит Тонио Буонассизи, профессор машиностроения Массачусетского технологического института и директор Исследовательской лаборатории фотогальваники. «Перовскиты легко настраиваются, как кристаллическая структура типа «собери свое собственное приключение», — говорит он.

Эта структура переплетенных решеток состоит из ионов или заряженных молекул, две из которых (A и B) заряжены положительно, а другая (X) заряжена отрицательно. Ионы A и B обычно имеют совершенно разные размеры, причем A больше.

В рамках общей категории перовскитов имеется ряд типов, включая перовскиты на основе оксидов металлов, которые нашли применение в катализе, а также в накоплении и преобразовании энергии, например, в топливных элементах и ​​металло-воздушных батареях. По словам Буонассизи, основное внимание исследовательской деятельности на протяжении более десяти лет уделялось перовскитам галогенидов свинца.

В этой категории по-прежнему существует легион возможностей, и лаборатории по всему миру выполняют утомительную работу, пытаясь найти варианты, демонстрирующие наилучшие характеристики с точки зрения эффективности, стоимости и долговечности, что до сих пор было самый сложный из трех.

Многие команды также сосредоточились на вариантах, исключающих использование свинца, чтобы избежать его воздействия на окружающую среду. Однако Буонассизи отмечает, что «с течением времени устройства на основе свинца продолжают улучшать свои характеристики, и ни одна из других композиций не приблизилась к ним с точки зрения электронных характеристик». Продолжается работа по поиску альтернатив, но пока ни одна из них не может конкурировать с версиями галогенидов свинца.

Одним из больших преимуществ перовскитов является их высокая устойчивость к дефектам в структуре, говорит он. В отличие от кремния, который требует чрезвычайно высокой чистоты для хорошей работы в электронных устройствах, перовскиты могут хорошо работать даже с многочисленными дефектами и примесями.

Поиск перспективных новых композиций-кандидатов для перовскитов немного похож на поиск иголки в стоге сена, но недавно исследователи придумали систему машинного обучения, которая может значительно упростить этот процесс. Этот новый подход может привести к гораздо более быстрой разработке новых альтернатив, говорит Буонассизи, который был соавтором этого исследования.

Несмотря на то, что перовскиты продолжают подавать большие надежды, и несколько компаний уже готовятся начать коммерческое производство, долговечность остается самым большим препятствием, с которым они сталкиваются. В то время как кремниевые солнечные панели сохраняют до 90 процентов своей выходной мощности через 25 лет, перовскиты разлагаются гораздо быстрее. Был достигнут большой прогресс — первоначальные образцы прослужили всего несколько часов, затем недель или месяцев, но новые составы имеют полезный срок службы до нескольких лет, что подходит для некоторых приложений, где долговечность не важна.

С исследовательской точки зрения, говорит Буонассиси, одно из преимуществ перовскитов заключается в том, что их относительно легко изготовить в лаборатории — химические составляющие легко собираются. Но это также и их обратная сторона: «Материал очень легко соединяется при комнатной температуре, — говорит он, — но он также очень легко распадается при комнатной температуре. Легко пришло, легко ушло!»

Чтобы решить эту проблему, большинство исследователей сосредоточены на использовании различных видов защитных материалов для инкапсуляции перовскита, защищая его от воздействия воздуха и влаги. Но другие изучают точные механизмы, которые приводят к этой деградации, в надежде найти составы или методы лечения, которые по своей природе являются более надежными. Ключевой вывод заключается в том, что в поломке в значительной степени виноват процесс, называемый автокатализом.

При автокатализе, как только одна часть материала начинает разлагаться, продукты ее реакции действуют как катализаторы, запуская разложение соседних частей структуры, и начинается неконтролируемая реакция. Аналогичная проблема существовала в ранних исследованиях некоторых других электронных материалов, таких как органические светоизлучающие диоды (OLED), и в конечном итоге была решена путем добавления дополнительных стадий очистки к исходным материалам, так что аналогичное решение может быть найдено в случае перовскиты, предполагает Буонассизи.

Буонассизи и его коллеги недавно завершили исследование, показывающее, что как только перовскиты достигают полезного срока службы не менее десяти лет, благодаря их гораздо более низкой начальной стоимости, которой будет достаточно, чтобы сделать их экономически жизнеспособными в качестве заменителя кремния в больших количествах.