Perovskite aurinkopaneelit

Aine, jonka tutkijat tunsivat yli sata vuotta, vasta tänään, XXI-luvun alussa, se osoittautui erittäin lupaavaksi aineeksi halpojen ja tehokkaiden aurinkokennojen tuottamiseksi. Perovskite eli kalsiumtitanaatti, jonka saksalainen geologi Gustav Rosa löysi Ural-vuorilta vuonna 1839 mineraalin muodossa ja nimettiin kreivin Lev Alekseevich Perovskylle, kunniakas valtiomies ja mineraalien kerääjä, vuoden 1812 isänmaallisen sodan sankari, osoittautui sopivimmaksi kilpailijaksi piin vaihtoehdon merkitys aurinkokennojen tuotannossa.

Aineena viime aikoihin asti kalsiumtitanaattia käytettiin laajasti vain dielektrisinä monikerroksisissa keraamisissa kondensaattoreissa. Ja nyt he yrittävät soveltaa sitä erittäin tehokkaiden aurinkopaneelien rakentamiseen, koska kävi ilmi, että tämä materiaali imee valoa täydellisesti.

Tavallinen, pitkä perinteinen piin aurinkopaneelit 180 mikronin paksuudella ne absorboivat niin paljon valoa kuin perovskiitti absorboi vain yhden mikronin paksuudella. Perovskite, samoin kuin pii, on puolijohde, ja se siirtää sähkövarauksen samalla tavalla valon vaikutuksesta, mutta sähköksi muunnetun valon spektri perovskiteissa on laajempi kuin piin.

Kalsiumtitanaatin kiteisen aineen rakenne on identtinen perovskite-mineraalin rakenteen kanssa, joten niiden nimi on sama. Ja juuri tämä aine on nykyään yksi johtavista paikoista aurinkoenergian optimointipolkujen sijoituksessa.

Asia on se, että piipohjaiset aurinkopaneelit maksavat tänään keskimäärin 75 senttiä / kW, ja perovskitepohjaiset aurinkopaneelit vähentävät kustannuksiaan 10–15 senttiin / 1 kW, ts. Perovskite-aurinkotekniikka 5–7. kertaa piitä halvempaa sekä paristojen valmistuksessa että niiden toiminnassa, ja tuotetun sähkön määrä on sama.

Ja tästä huolimatta siitä, että energia-alan analyytikot väittävät, että aurinkoenergiasta on tulossa kilpailukykyinen fossiilisten polttoaineiden kanssa jo 50 senttiä per 1 kW. Toisin sanoen siirtyminen perovskiteen maailmanlaajuisesti vähentää sähköntuotannon kustannuksia useita kertoja, kun taas itse paneelien tuotantoprosessi on hyvin yksinkertainen.

Perovskitepohjaisten aurinkokennojen tehokkuuden arvioimiseksi ja parantamiseksi tehdään tutkimuksia monissa maissa: Australiassa, Martin Green, Sveitsissä, Michael Gretzel, Yhdysvalloissa, Henry Saint, Felix Deshler, Leaming Day ja Korea, Sok Sang Il. Tutkijat kertovat yhdellä äänellä lupaavan tekniikan alhaisista kustannuksista ja korkeasta tehokkuudesta.

Michael Gretzel väittää, että hänen 15%: n hyötysuhteensa voidaan helposti nostaa 25%: iin, ja tällä hetkellä saatavilla olevista edullisista aurinkokennoista ei saavuteta 15%. Ensimmäistä kertaa vuonna 2009, kun he puhuivat vain mahdollisuuksista käyttää perovskiteta aurinkoenergiaan, saavutettiin hyötysuhde 3,5%, ja solut olivat lyhytaikaisia, koska nestemäinen elektrolyytti liuotti perovskitea, ja heti kun tutkijoilla oli aikaa mitata, akku lakkasi toimimasta.

Kolmen vuoden kuluttua nestemäinen elektrolyytti kuitenkin korvattiin kiinteällä, ja soluista tuli stabiilimpia, ja tehokkuus kaksinkertaistui ensin ja kaksinkertaistui sitten taas. Useat sähköä johtavat substraattikerrokset, joista yksi oli pigmentoitu, ratkaisivat ongelman ja avasivat mahdollisuuden. Tehokkuuden parantamiseksi tehtävät toimet eivät lopu tähän päivään asti, tutkijat käyttävät muun muassa vakiooptimointimenetelmiä, jotka paransivat piin esiasteita.

Michael Gretzel on varma, että 25%: n hyötysuhde johtaa aurinkoenergian vallankumoukseen.Australialaisprofessori Martin Green, yksi tutkimuksen pioneereista, väittää, että piitä sisältämättömät paristot ovat niin yksinkertaisia ​​valmistaa ja tehokkaita käyttää, että on ehdottomasti luottamus siihen, että Perovskite-aurinkopaneelien tulevaisuus on valoisa, koska alustavat arviot ennustavat jo hinnan alentamisen - 7 aikaa.

Ryhmä tutkijoita Koreasta, johdolla Sok Sang Il, kehitti oman kaavansa sekoittamalla lyijyammoniumbromidia lyijyformamidiinijodidiin. Tutkijat saavuttivat sellaisen perovskite-rakenteen, että he asettivat ennätystrategian 17,9%. Seoksen käyttö antaa mahdollisuuden tulostaa aurinkokennoja ja niiden kustannukset vähenevät edelleen. Ongelmana on edelleen - materiaali liukenee veteen, lisäksi testien kennojen koko ei ylittänyt 10 neliömetriä, joten tutkimusta jatketaan.

Perovskite-aurinkokennojen valmistusprosessi näyttää tutkijoille melko yksinkertainen. Neste suihkutetaan yksinkertaisesti pinnalle tai levitetään höyryn muodossa, mikä on erittäin helppo toteuttaa teknisesti. Metallifolioon tai lasiin levitetään useita kerroksia materiaaleja, joista yksi on perovskite.

Täällä tarvitaan muita materiaaleja elektronien liikkumisen helpottamiseksi elementin sisällä. Valmistusprosessi on lähellä ideaalia. Oxfordin yliopiston fyysikko Henry Saint, joka kehittää perovskiittisoluja Yhdysvalloissa, on vakuuttunut siitä, että aurinkopaneelien kerrokset levitetään yhtä helposti kuin tavalliselle maalille pinnalle.

Uusista näkymistä huolimatta tutkijat jaettiin kahteen leiriin. Entiset kannattavat piiparistojen parantamista, joista on jo tullut perinteisiä, kun taas toiset kannattavat täysin uusien, tehokkaampien paristojen luomista. Joten, Martin Green uskoo, että perovskiteä voidaan käyttää lisäyksenä piiparistoihin yhdistämällä piitä perovskiteen ja siten vähentää tuotetun sähkön kustannuksia ilman, että piiteollisuudelle aiheutuisi merkittäviä menetyksiä. Michael Gretzel on päinvastoin vakuuttunut siitä, että uusi kehitys on tärkeää ja että uusien valokennojen tehokkuuden lisääminen maksaa useita kertoja.

Monet yritykset työskentelevät jo tuotteen kaupallisessa toteutuksessa, koska huolimatta siitä, että perovskite-mahdollisuudet ovat vasta alkamassa toteutua, aurinkoenergian alan johtavat asiantuntijat ovat jo kiinnittäneet huomionsa tulevaisuuteen. Australialaiset ja turkkilaiset yritykset ovat lähestyneet aktiivisesti perovskite-aurinkopaneelien kaupallistamista, ja ennusteiden mukaan ne tulevat markkinoille vuoteen 2018 mennessä.

Huolimatta joidenkin yritysten optimismista, kokemus osoittaa, että uuden tekniikan siirtyminen laboratoriosta markkinoille vie yleensä kymmenen vuotta, ja tänä aikana piiparistot voivat hyvinkin ohittaa perovskiitin. Gretzel muuten myy uuden teknologian lisenssin yrityksille, jotka aikovat noudattaa perinteistä piimallia.

Kilpailu aurinkoenergiamarkkinoilla on myös kovaa, ja jokainen uusi toimija kohtaa sen. Piipaneelien kustannukset vähenevät, ja joidenkin analyytikoiden mukaan ne voivat laskea 25 senttiin / 1 kW, mikä estää perovskite-tekniikan edut kokonaan.

Pienen määrän lyijyn esiintyminen pigmentissä, joka on myrkyllistä, on edelleen ongelma. Kokeellisia tutkimuksia on tulossa, jotka paljastavat kuinka myrkyllinen perovskiitti on. Käytettyjen akkujen hävittämiseen on syytä kiinnittää huomiota, kuten käyntiin tarkoitettujen autoakkujen tapauksessa. Mutta periaatteessa tinaa tai jotain vastaavaa voidaan käyttää lyijyn sijasta.

Samaan aikaan Ohion tutkijat, joita johtaa Leaming Dai, ryhtyivät sähköautojen sähköistämiseen perovskite-aurinkopaneeleilla. He kehittivät edullisimman yhdistelmän aurinkopaneeleja sähköautoakkujen kanssa kuin koskaan ennen.

Yhdistämällä neljä perovskite-akkua litiumparistoon, tutkijat saavuttivat 7,8%: n hyötysuhteen tähän mennessä tehokkaimmassa kokoonpanossa, mikä ylitti aiemmat ratkaisut aurinkokennojen yhdistämiseksi superkondensaattoreihin ja akkuihin.

Monikerroksiset paneelit ovat lisänneet auringosta vastaanotetun energian tiheyttä ja stabiilisuutta. Kokeet ovat osoittaneet, että kolme perovskiittikerrosta muutetaan haluttaessa yhdeksi kalvoksi. Yhden solun pinta-alan ollessa enintään 10 neliömetriä, tutkijat saavuttivat kolikkokokoisen muuntimen hyötysuhteen 12,65%, mutta ottaen huomioon energian muuntaminen ja varastointi, hyötysuhde oli 7,8% syklisessä tilassa.

Kehittäjien mukaan tällaiset järjestelmät kykenevät tulevaisuudessa paitsi vain lataamaan sähköautoja, vaan myös asentamaan joustavan kalvon muodossa koriin. Teknologia näyttää ihanteelliselta sähköajoneuvoille.

Erinomainen on perovskiitin kyky reemisioon. Cambridgen yliopiston tutkija Felix Deschler havaitsi, että perovskiteellä on ainutlaatuinen ominaisuus. Kun valo tulee materiaaliin, fotonienergiaa ei muunneta vain sähköksi, osa varauksesta muuttuu takaisin fotoneiksi.

Jos paneeli voi käyttää näitä fotoneja uudelleen, kerätty energia kasvaa entisestään. Deshler-ryhmä suoritti kokeilun, jossa lasersäde väkevöitiin 0,5 mikronin paksuiseen perovskite-kohtaan ja valoa säteili uudelleen muualle näytteeseen. Esimerkiksi piillä ei ole kykyä siirtää energiaa itsensä sisällä ja emittoida sitä uudestaan.

Siksi perovskiitin näkymät ovat valtavat, ja kuka tietää, voi olla kulunut melkein silloin, kun jokainen talo ja jokainen auto varustetaan perovskite-akkuilla, koska siitä tulee taloudellisesti kannattamatonta eikä ole suositeltavaa pilata ympäristöä fossiilisten polttoaineiden palamistuotteilla.