Perovskite napelemek

Olyan anyag, amelyet a tudósok több mint száz éve ismertek, csak ma, a XXI. Század elején, nagyon ígéretes anyagnak bizonyult olcsó és hatékony napelemek előállításában. A Perovskite, vagy a kalcium-titanát, amelyet először ásványi formában talált meg a német geológus Gustav Rosa az Ural-hegységben 1839-ben, és gróf Lev Aleksejevics Perovsky, a dicső államember és ásványgyűjtő, az 1812-es Honvédő Háború hősének nevezték el, a legmegfelelőbb versenyző a szilícium alternatívájának szerepe a napelemek előállításában.

Anyagként a közelmúltig a kalcium-titanátot csak dielektrikumként használták többrétegű kerámia kondenzátorokhoz. És most megpróbálják alkalmazni, hogy rendkívül hatékony napelemeket építsenek, mivel kiderült, hogy ez az anyag tökéletesen elnyeli a fényt.

Rendes, hosszú hagyomány szilikon napelemek 180 mikron vastagságban annyi fényt szívnak fel, amennyit a perovszkite csak 1 mikron vastagságban képes elnyelni. A Perovskite, csakúgy, mint a szilícium, félvezető, és körülbelül ugyanolyan hatékonyan továbbítja az elektromos töltést fény hatására, azonban a perovskite elektromává alakított fény spektruma szélesebb, mint a szilícium.

A kalcium-titanát kristályos anyagának szerkezete megegyezik a perovskite-ásvány szerkezetével, tehát a neve azonos. És éppen ez az anyag áll napjainkban a napenergia optimalizálási útjainak rangsorában az egyik vezető helyen.

A helyzet az, hogy a szilícium-alapú napelemek manapság átlagosan 75 centt fizetnek, és a perovskite-alapú napelemek költségük 10–15 centre / 1 kW-ra csökkennek, vagyis a perovskiites napelemes technológiák 5–7-re kerülnek. Az akkumulátorok előállításakor és működésüknél is kétszer olcsóbb, mint a szilícium, és az előállított villamos energia mennyisége megegyezik.

És ennek ellenére, hogy az energiaipar elemzői azt állítják, hogy a napenergia már 1 centiméterenkénti 50 cent áron versenyképes lesz a fosszilis tüzelőanyagokkal. Vagyis a globális léptékű perovszkitekre történő áttérés időnként csökkenti a villamosenergia-előállítás költségeit, miközben maguk a panelek gyártási folyamata nagyon egyszerű lesz.

Számos országban folynak tanulmányok a perovskites alapú napelemek hatékonyságának értékelésére és javítására: Ausztráliában - Martin Green, Svájcban - Michael Gretzel, az USA-ban - Henry Saint, Felix Deshler, a Leaming Day, és Koreában - Sok Sang Il. A kutatók egyhangúlag kijelentik, hogy az ígéretes technológia olcsó és magas hatékonyságú.

Michael Gretzel azt állítja, hogy az általa elért hatékonyság 15% -kal könnyen növelhető 25% -ra, és a jelenleg elérhető olcsó napelemek nem érik el a 15% -ot. Első alkalommal, 2009-ben, amikor csak a perovskite napenergia alkalmazásának lehetőségeiről beszéltek, 3,5% -os hatékonyságot kaptunk, és az elemek rövid élettartamúak voltak, mivel a folyékony elektrolit feloldotta a perovskitet, és amint a tudósoknak volt idejük mérni, az akkumulátor leállt.

Három év elteltével azonban a folyékony elektrolitot szilárd anyag váltotta fel, a cellák stabilizálódtak, és a hatékonyság először megkétszereződött, majd ismét megkétszereződött. Több elektromosan vezető hordozóréteg, amelyek közül az egyik egy pigmenssel volt bevonva, megoldotta a problémát és megnyitotta a kilátást. A hatékonyság javításának lépései nem állnak napjainkig. A tudósok többek között olyan szokásos optimalizálási módszereket alkalmaznak, amelyek a szilícium prekurzorok javítását szolgálták.

Michael Gretzel biztos, hogy a 25% -os hatékonyság a napenergia forradalmához vezet.Az ausztráliai professzor, Martin Green, a kutatás egyik úttörője szerint a szilíciummentes akkumulátorok annyira egyszerűen előállíthatók és hatékonyan működtethetők, hogy minden bizonnyal megbizonyosodhatunk arról, hogy a Perovskite napelemeinek jövője fényes, mert az előzetes becslések már előre jelezik az ár hatalmas csökkenését - 7-nél. időben.

Egy koreai kutatócsoport, Sok Sang Il vezetésével, kifejlesztette saját receptjét az ólom-ammónium-bromid és az ólom-formamidin-jodid keverésével. A tudósok olyan perovskitestruktúrát értek el, hogy rekord hatékonyságuk 17,9%. A keverék használata lehetővé teszi a napelemek kinyomtatását, és költségük tovább csökken. A probléma továbbra is fennáll - az anyag vízben oldódik, ráadásul a tesztekben a cellák mérete nem haladta meg a 10 négyzet mm-t, tehát a kutatás folytatódik.

A perovskites napelemek gyártási folyamata a kutatók számára elég egyszerűnek tűnik. A folyadékot egyszerűen permetezik a felületre vagy gőz formájában alkalmazzák, amelyet a technológiai szempontból nagyon egyszerű megvalósítani. Többrétegű anyagot alkalmaznak a fémfóliára vagy üvegre, ezek közül az egyik perovszkite.

Más anyagokra van szükség az elektronok mozgásának megkönnyítésére az elem belsejében. A gyártási folyamat közel áll az ideálhoz. Az Oxfordi Egyetem fizikusa, Henry Saint, aki az Egyesült Államokban fejti ki a perovskite sejteket, biztos abban, hogy a napelemek rétegei ugyanolyan könnyen felvihetők, mint a normál festékkel a felületre.

A kialakuló kilátások ellenére a tudósokat két táborra osztották. Az előbbi a már tradicionálissá vált szilícium elemek javítását támogatja, míg mások teljesen új, hatékonyabb elemek létrehozását támogatják. Tehát, Martin Green úgy véli, hogy a perovszkite a szilícium-akkumulátorok kiegészítéseként is felhasználható, ha a szilíciumot a perovszkitettel kombinálják, és ezáltal csökkentik az előállított villamos energia költségeit a szilíciumipar számára jelentős veszteségek nélkül. Michael Gretzel éppen ellenkezőleg, meg van győződve arról, hogy az új fejlesztések fontosak, és az új fotocellák hatékonyságának növelése sokszor megtérül.

Sok vállalat már dolgozik a termék kereskedelmi megvalósításán, mivel annak ellenére, hogy a perovskite lehetőségei csak most kezdődnek meg, a napenergia területén vezető szakértők már a jövőre fordították figyelmüket. Az ausztrál és a török ​​vállalatok együttesen aktívan közeledtek a perovskite napelemek forgalomba hozatalához, és az előrejelzések szerint 2018-ig meg fogják mutatni őket a világpiacon.

Néhány vállalat optimizmusa ellenére a tapasztalatok azt mutatják, hogy általában tíz évbe telik, mire az új technológia a laboratóriumból a piacra kerül, és ebben az időben a szilícium-akkumulátorok jóval meghaladhatják a perovskitet. Gretzel, egyébként, új technológiára ad licencet azoknak a vállalatoknak, amelyek a szilícium hagyományos módszerét kívánják követni.

A napenergia-piacon is nagy a verseny, és minden új játékos szembesül ezzel. Csökken a szilíciumpanelek költsége, és néhány elemző szerint 25 centre / 1 kW-ra eshet, ami teljes mértékben megfosztja a perovskite technológia előnyeit.

A kis mennyiségű ólom jelenléte a pigmentben, amely mérgező, továbbra is problémát jelent. Kísérleti vizsgálatok készülnek, amelyek felfedik, milyen toxikus a perovszkite. Érdemes figyelni a használt akkumulátorok ártalmatlanítására, mint ahogy az indító autóakkumulátorok esetében. De elvileg ólom helyett ón vagy valami hasonló használható.

Eközben az Ohio-i kutatók, Leaming Dai vezetésével, az elektromos autók elektromos áramlásának megkezdésére törekedtek perovskite napelemek segítségével. Kidolgozták a napelemek és az elektromos autóakkumulátorok legkedvezőbb kombinációját, mint valaha.

A négy perovskites elem és a lítium elem összekapcsolásával a tudósok eddig a leghatékonyabb konfigurációban 7,8% -os hatékonyságot értek el, amely meghaladta a korábbi megoldásokat a napelemek és a szuperkondenzátorok és az akkumulátorok kombinálására.

A többrétegű panelek megnövelték a nap által leadott energia sűrűségét és stabilitását. A tesztek azt mutatták, hogy a perovszkite három rétegét kívánt esetben egy filmré alakítják. Az egycellás, legfeljebb 10 négyzet mm-es területtel a kutatók érmeméretű konverter hatékonyságát 12,65% -kal érték el, de figyelembe véve az energia átalakítását és tárolását, a hatékonyság ciklikus üzemmódban 7,8% volt.

Az ilyen rendszerek, a fejlesztők szerint, a jövőben nem csak az elektromos autók töltésére képesek lesznek, hanem rugalmas fólia formájában is telepíthetők a karosszériákra. A technológia ideálisnak tűnik az elektromos járművekhez.

Figyelemre méltó a perovskite remissziós képessége. A Cambridge-i Egyetem tudósa, Felix Deschler felfedezte, hogy a perovskite egyedi tulajdonsággal rendelkezik. Amikor a fény belép az anyagba, a fotonenergiát nem csak villamos energiává alakítják, hanem a töltés egy részét visszaveszik fotonokká.

Ha a panel képes újra felhasználni ezeket a fotonokat, akkor az összegyűjtött energia még nagyobb lesz. Deshler csoportja kísérletet végzett, amelyben a lézernyalábot egy 0,5 mikron vastag perovskites szakaszra koncentrálta, és a minta a fény más részeire bocsátott ki. Például a szilícium nem képes energiát átadni önmagában és újra kibocsátani.

Így a perovskite kilátásai hatalmasak, és ki tudja, lehet, hogy körülbelül abban az időben, amikor minden házat és minden autót fel fognak szerelni perovskite akkumulátorokkal, mivel gazdasági szempontból veszteséges lesz, és nem ajánlott a környezetet szennyezni fosszilis tüzelőanyagok égéstermékeivel.