Šios lanksčios saulės baterijos priartina mus prie įpročio naudoti iškastinį kurą

Perovskito nuotraukos iliustracija Nuotrauka suteikta Oxford PV

• Perovskito saulės elementai gali būti pigesni, lengvesni, efektyvesni ir lengviau gaminami nei tradicinis silicis.
• Jie gali būti dedami ant langų, netaisyklingos formos paviršių ar net judančių transporto priemonių ir atvertų visiškai naujas saulės energijos panaudojimo galimybes, pavyzdžiui, gėlinimui.
• Didžiausias iššūkis: padaryti juos pakankamai patvarius

Praėjusį gruodį mokslininkai laboratorijoje Oksforde (Anglija) saulės lempa apšvietė mažytį saulės elementą, tik maždaug vieno centimetro kvadratinio dydžio.

Įrenginys iš tikrųjų buvo dvi ląstelės, sukrautos viena ant kitos. Apatinis buvo pagamintas iš silicio, naudojamo standartinėse saulės baterijose. Tačiau viršus buvo perovskitas, medžiaga, turinti kristalinę struktūrą, kuri ypač gerai paverčia šviesą elektra.

Pora zondų, pritvirtintų prie vadinamojo tandeminio saulės elemento, matavo jo veikimą. Kiti tyrėjai Oksfordo PV laboratorijoje, 2010 m. iš universiteto pasitraukusios įmonės, susirinko už plokščiaekranio monitoriaus ir laukė, kol pasirodys ląstelės efektyvumo skaičiavimas. Kai tai įvyko, jie apsikeitė penkiais. Ląstelė 28 % šviesos energijos pavertė elektra – tai naujas perovskito ant silicio įrenginio efektyvumo rekordas. Nepriklausomas bandymas tai patvirtino po kelių dienų, kai mažytė ląstelė buvo perkelta į lėktuvą į Nacionalinę atsinaujinančios energijos laboratoriją (NREL) Goldene, Kolorado valstijoje.

Oxford PV komercinio dydžio saulės elementas (kairėje) ir vieno centimetro kvadrato versija (dešinėje).

Nors rinkoje gali dominuoti silicio plokštės, kurios užima apie 95 % rinkos, silicis nėra ypač gera saulės energijos medžiaga. Jame daugiausia naudojama šviesa iš raudonojo ir infraraudonojo saulės spektro galo, ji turi būti gana stora ir stambi, kad sugertų ir konvertuotų fotonus. Veiksmingiausių rinkoje esančių silicio saulės baterijų efektyvumas yra mažesnis nei 23%, o teorinis vieno silicio sluoksnio maksimumas yra apie 29%.

Kita vertus, perovskitas gali panaudoti daugiau jį pasiekiančios šviesos ir gali būti pritaikytas darbui su skirtingomis spektro dalimis. Oxford PV pasirinko mėlynąjį galą. Suporuotos ląstelėje, šios dvi medžiagos gali kartu paversti daugiau fotonų į elektronus, nei kuri nors viena gali tiekti.

Oxford PV planuoja iki kitų metų pabaigos pateikti rinkai saulės elementus perovskito ir silicio pagrindu, naudodama Vokietijos gamyklą, kurią 2016 metais įsigijo iš Bosch Solar. Šios dvi medžiagos bus supakuotos į pakuotę, kuri kitaip atrodo, pristatoma ir montuojama taip pat, kaip ir standartinė saulės baterija, tai yra tarsi pusė žingsnio, kuris, bendrovės nuomone, padės lengviau pristatyti technologiją rinkai.

Oxford PV gamykla Vokietijoje. Oksfordo PV

Tai technologijų sutrikimas be verslo trikdžių, sako Chrisas Case'as, Oksfordo PV vyriausiasis technologijų pareigūnas.

Dešimtys startuolių, kurie maždaug prieš dešimtmetį siekė išstumti silicį, bankrutavo arba buvo išstumti į nišinę rinką. Tačiau rizikos kapitalistai turi investavo dešimtys milijonai dolerių į perovskito įmones pastaraisiais mėnesiais, šildant ilgą laiką šaltą alternatyvių saulės energijos medžiagų rinką. Dabar kyla klausimas, ar perovskitai taip pat sustings, ar pagaliau įveiks silicio plokštes rinkoje.

Yra daugybė dalykų, dėl kurių tai gali tapti transformacine technologija, sako Joe Berry, vadovaujantis perovskito tyrimų programai Nacionalinėje atsinaujinančios energijos laboratorijoje. Tačiau technologijų, kurios bandė konkuruoti su siliciu, sąrašas yra ilgas ir išskirtinis, todėl ir šia prasme turite būti nuolankūs.

Saulės elementas ant steroidų

2000-ųjų pabaigoje nemažai gerai finansuojamų startuolių bandė komercializuoti naujas ir lankstesnes saulės energijos medžiagas, įskaitant plonasluoksnes technologijas, pvz. kadmio teluridas ir vario indžio galio selenido (prisimink Solyndra?), taip pat tokius dalykus kaip organiniai saulės elementai. Buvo pažadėta, kad iš tokių medžiagų pagamintos ląstelės bus daug pigesnės ir gali būti gaminamos įvairių formų.

Tačiau silicio saulės baterijos buvo greitai judantis taikinys. Efektyvumo lygis toliau gerėjo, o kainos smuko, dėkoju vyriausybės finansuojamoms mokslinių tyrimų pastangoms, rinkos skatinimo politikai ir masto ekonomijai.

Komercinės fotovoltinės sistemos išlaidos (JAV doleriais už nuolatinės srovės vatą fiksuoto pakreipimo sistemoms)

Šaltinis: Nacionalinė atsinaujinančios energijos laboratorija | Diagramą sukūrė MIT Technology Review

Visų pirma Kinija taikė agresyvias subsidijas ir strategijas, kad paspartintų gamybą ir eksportą, siekdama dominuoti rinkoje. Šalies modulių siuntimas ir pasaulinė rinkos dalis augo nuo 2000-ųjų vidurio, todėl buvo pareikšti įtarimai dėl neteisėto dempingo, kuriuo siekiama išmušti iš vėžių užjūrio konkurentus. Komercinių silicio plokščių kainos nuo 2010 m. iki 2013 m. sumažėjo daugiau nei per pusę, o alternatyvų rinka smuko.

Taigi šiais laikais, norint pateisinti didžiules naujų gamyklų, tiekimo grandinių ir platinimo kanalų kūrimo išlaidas, bet kokia nauja medžiaga turi būti geresnė svarbiais būdais: efektyvesnė, pigesnė gaminti, universalesnė, ilgaamžiškesnė arba idealiu atveju visos aukščiau.

Perovskitas šviečia kai kuriose iš šių kategorijų. Vieno sluoksnio efektyvumas teoriškai gali siekti 33%, o tandeminio perovskito ant silicio prietaisas gali pasiekti apie 43%. Didelis efektyvumas yra svarbus, nes galite pagaminti daugiau elektros energijos iš tiek pat plokščių arba tiek pat energijos, naudodami mažesnį plotą ir mažesnėmis sąnaudomis.

Perovskito saulės moduliai taip pat turėtų būti pigesni, bent jau ilgainiui. Silicio plokščių gamyba yra kelių etapų gamybos procesas Tai reiškia, kad silicis yra rafinuojamas esant aukštai temperatūrai, įpilamas į kitas medžiagas ir tiksliai supjaustomas į plokšteles, kurios turi būti tiksliai nupieštos švarioje patalpoje, kad būtų sukurtas fotovoltinis elementas.

Kita vertus, perovskitai gali būti gaminami žemoje temperatūroje ir naudojami skystu pavidalu lanksčioms medžiagoms, tokioms kaip plastikas, padengti, todėl gamybos procesas iš ritinio į ritinį gali būti panašus į laikraščių spausdinimą.

Pertvarkydama Bosch plonasluoksnių plėvelių gamyklą, Oxford PV tikisi, kad iki kitų metų pabaigos galės masiškai gaminti silicio ir perovskito elementus ir supakuoti juos į standartinės išvaizdos plokštes.

Tai paprastas saulės elementas su steroidais, sako Case.

Kovo mėnesį Oksfordo PV pasakė, kad taip pakeltas daugiau nei 40 milijonų JAV dolerių, kad jos produktai patektų į rinką, o bendras finansavimas ir finansavimas iki maždaug 100 milijonų JAV dolerių. Gamykla kasmet išpumpuos 250 megavatų vertės elementų.

Kitas perovskito startuolis „Energy Materials“ taip pat nori naudoti ritininę gamybą. Įsikūręs Ročesteryje, Niujorke, jis naudoja filmavimo įrangą, iš pradžių sukurtą Eastman Kodak, kad galėtų masiškai gaminti tik perovskito saulės baterijas. Viso masto procesas kainuos perpus pigiau nei tradicinio saulės modulio gamyba, o kapitalo sąnaudos bus daug mažesnės, nes siliciui reikalingos brangios, tikslios mašinos ir įrenginiai, sako Thomas Tombs, bendrovės technologijų vadovas.

„Swift Solar“ lankstus perovskito saulės elementas. Swift Saulė

Kadangi perovskitas gali būti lankstus, pusiau skaidrus ir lengvas, jis taip pat gali būti naudojamas ten, kur sunkios, standžios saulės baterijos neveikia – ant langų, girgždančių stogų, netaisyklingos formos paviršių ar net judančių transporto priemonių.

„Swift Solar“, su NREL susijęs startuolis, turintis pakeltas beveik 7 mln. USD pastaraisiais mėnesiais Žiūrėti į Pasak jos generalinio direktoriaus Joelio Jeano, perovskito ir perovskito tandeminių saulės elementų, kuriuose naudojami du perovskito sluoksniai, kurių kiekvienas suderintas pagal skirtingą spektro dalį, naudojimas dronuose ir elektrinėse transporto priemonėse, siekiant išplėsti jų diapazoną. Tokia ląstelė gali būti labai efektyvi, taip pat lankstesnė ir lengvesnė nei su storu silicio sluoksniu.

Nauji saulės energijos panaudojimo būdai

Savo knygoje Prisijaukinti saulę, Varunas Sivaramas, „ReNew Power“ vyriausiasis technologijų pareigūnas, teigia, kad naujos saulės energijos technologijos, tokios kaip perovskitai, gali būti būtinos norint galiausiai pakeisti iškastinį kurą.

Bet kam mums reikia dar pigesnės saulės energijos, jei silicio plokštės jau konkuruoja su, tarkime, anglies jėgaine?

Viena didžiausių problemų, susijusių su saulės energija, yra ta, kad kai ji generuoja didelę elektros energijos dalį tinkle, kitos plokštės ar elektrinės papildoma vertė pradeda smarkiai kristi.

Taip yra todėl, kad naktį saulės energijos ūkiai visiškai negamina elektros energijos, o tai reiškia, kad likusi sistemos dalis vis tiek turi būti pajėgi patenkinti visą poreikį. Kita vertus, saulėtomis dienomis elektros gali būti daugiau nei sistema gali sunaudoti ar sukaupti. Tai jau vyksta regionuose, kuriuose yra daug saulės energijos, pavyzdžiui, Vokietijoje, Kinijoje ir Kalifornijoje.

Tinklo operatoriai reguliariai turi priversti arba skatinti saulės energijos ūkius mažinti gamybą, dažnai sumažindami kainas iki nulio ar net žemiau. Tai gali sumažinti saulės elektrinių pelną, o tai panaikina ekonomines paskatas statyti daugiau jų ir toliau mažinti iškastinio kuro naudojimą.

A popierius 2016 m. paskelbtame žurnale Nature Energy, Sivaramas ir Shayle'as Kannas, dabar privataus kapitalo įmonės Energy Impact Partners generaliniai direktoriai, apskaičiavo, kad norint išsaugoti ekonomines paskatas ir toliau statyti daugiau elektrinių, saulės energijos plėtros sąnaudos turėtų sumažėti iki 25 centų už vatą. . Pagal pigiausių komercinių sistemų sąnaudos yra 1,06 USD už vatą naujausia NREL ataskaita .

Didžioji to dalis yra dėl didelės didelės apimties aparatūros įrengimo ir laidų kainos. Taigi, norint smarkiai sumažinti kainą, greičiausiai prireiks ne tik pigių saulės elementų, bet ir lengvų, lanksčių, kuriuos lengviau įdiegti. Sivaramas sako, kad perovskitai yra perspektyviausia medžiaga, leidžianti padaryti tokį šuolį šiandien.

Pigi saulės elektra taip pat galėtų sumažinti išlaidas tokiems dalykams kaip jūros vandens gėlinimas, dirbtiniai medžiai, galintys iš atmosferos ištraukti anglies dioksidą, arba elektrolizės įrenginiai, galintys perteklinę energiją paversti vandenilio kuru.

Tai atrakina visas šias naujas programas, apie kurias anksčiau niekada negalvojome, sako Sivaramas.

Nestabilumo problema

Sunkesnis klausimas, susijęs su perovskitais, yra jų patvarumas. Efektyvumo šuoliai neturi didelės reikšmės, ar medžiaga tarnaus tik kelis mėnesius ar net metus – ir iki šiol perovskitai buvo linkę greitai suirti veikiami ultravioletinių spindulių ir drėgmės.

Tai labai didelė problema medžiagai, kuri keletą dešimtmečių turi gulėti po saule. Ir jei įmonės išleis perovskito plokštes, kurios per anksti suges, tai sugadins medžiagos reputaciją, net jei vėliau sukurs patvaresnes versijas.

Oksfordo PV darbuotojas tiria komercinio dydžio perovskito ir silicio tandeminius saulės elementus. Oksfordo PV

Kol kas Oksfordo PV rinkos planas priklauso nuo to, ar jo perovskito ir silicio elementas gali veikti ir atrodyti kaip standartinė silicio saulės baterija, įskaitant supakavimą į stiklinį korpusą, kuris padės ilgiau tarnauti.

Tačiau įmonei teko sunkiai dirbti dėl pačios medžiagos stabilumo, pasitelkdama skaičiavimo modeliavimą ir greitą atranką, kad iš maždaug pusės milijono galimybių nustatytų perspektyvias kompozicijas. Bendrovės perovskitų receptas yra patentuotas, tačiau jos generalinis direktorius Frankas Averdungas yra labai nusiteikęs. Mes išsprendėme patikimumo problemą, sako jis. Mes tai padarėme, todėl dabar galime pereiti prie gamybos režimo.

paslėpti