1300 часов при экстремальной температуре и влажности — всего 2% потерь и эффективность 22%: кремниевые солнечные панели уступили первоскитным
Китайские ученые совместно с инженерами компании Renshine создали полноразмерные перовскитные солнечные панели, которые не только достигли рекордной для своего размера эффективности 22%, но и в ходе трехмесячных испытаний на реальной электростанции вырабатывали больше электроэнергии на единицу установленной мощности, чем традиционные кремниевые панели.
Кремний получил серьезного конкурента
Источник изображения: Renshine
Перовскитные солнечные панели создала команда Нанкинского университета. Главным достижением исследователи называют переход от небольших лабораторных ячеек к панелям площадью 0,72 м², характеристики которых уже значительно ближе к реальным коммерческим солнечным модулям.
В стандартных условиях такая панель продемонстрировала стабильную выходную мощность 158,4 Вт. Сертифицированная эффективность по всей площади составила 22%, что авторы называют рекордным показателем для перовскитных модулей метрового масштаба.
Однако наиболее важной частью работы стали не лабораторные цифры, а проверка технологии на настоящей солнечной электростанции. Исследователи развернули перовскитную систему общей мощностью 1 МВт рядом с 3,5-МВт массивом современных кремниевых панелей и в течение трех месяцев сравнивали фактическую генерацию.
В марте перовскитные модули производили в среднем на 3,42% больше электроэнергии в сутки на единицу установленной мощности. В апреле преимущество увеличилось до 3,79%, а в мае — до 5,81%. Рост разрыва по мере повышения весенних температур указывает на потенциальное преимущество перовскитов при эксплуатации в теплую погоду.
Главной проблемой перовскитных элементов долгое время оставалось масштабирование. В лаборатории они демонстрируют высокую эффективность на очень небольшой площади, однако при увеличении размеров пленки возникают микроскопические неоднородности и дефекты кристаллической структуры. Они захватывают электрические заряды и снижают итоговую мощность.
Обычно производители пытаются пассивировать такие дефекты с помощью солей галогенидов аммония. Метод хорошо работает на небольших лабораторных образцах, но при промышленном производстве возникают проблемы. Такие соединения чувствительны к влажному воздуху и могут потребовать дорогостоящей производственной среды с инертным газом. Кроме того, раствор сложно равномерно распределить по большой поверхности.
Китайские исследователи предложили другой химический процесс. Для формирования перовскитных кристаллов используется смесь трех растворителей: 2-метоксиэтанола, 1,3-диоксолана и диметилсульфоксида. Состав позволяет управлять высыханием пленки в вакуумной камере таким образом, чтобы на ее поверхности самостоятельно формировался защитный слой иодида формамидиния.
После этого поверхность обрабатывается органическими солями карбоксилатов свинца. Такое покрытие равномерно распределяется по всей панели площадью 0,72 м², заполняет дефекты на атомном уровне и дополнительно защищает перовскит от воздействия влаги. При этом производственный процесс не требует постоянной инертной атмосферы.
Особое внимание исследователи уделили долговечности — одному из главных препятствий для коммерциализации перовскитных батарей. Панели подвергли ускоренному тесту при температуре 85 °C и относительной влажности 85% в течение 1300 часов. Модули с традиционной аммониевой обработкой за это время потеряли 39% первоначальной мощности. Новые панели с обработкой карбоксилатами свинца — только 2%.
Еще одно испытание включало 300 циклов резкого изменения температуры от -40 до +85 °C. По данным исследователей, после этого измеримого снижения мощности у экспериментальных модулей обнаружено не было.
Перовскитные солнечные элементы считаются перспективной альтернативой кремнию, поскольку светопоглощающий слой можно наносить из жидких растворов, потенциально упрощая и удешевляя производство. Однако высокая лабораторная эффективность до сих пор плохо сочеталась с большой площадью и долговечностью.