Во время последнего избирательного цикла в Америке одним из ключевых предвыборных обещаний президента Трампа было возродить умирающий угольный сектор и вернуть угольные рабочие места. Но даже интенсивное лоббирование со стороны президента мало что сделало, чтобы остановить эту волну, поскольку угольные электростанции продолжают постепенно сокращаться. Недавний вывод из эксплуатации гигантской угольной электростанции Paradise 3 TVA мощностью 1150 мегаватт, несмотря на пылкие призывы Трампа, служит мрачным напоминанием о том, что лучшие дни угля уже позади, и Министерство энергетики США признало это в своем последнем отчете.
Так называемый газовый мост в последнее время превратился в проклятие угля. Теперь перовскитные солнечные элементы следующего поколения, вероятно, не только забьют последний гвоздь в угольный гроб, но и воткнуят нож в страдающую нефтегазовую промышленность.
Еще в мае говорилось, что Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США создала государственно-частный консорциум под названием US-MAP для Консорциума по производству передовых перовскитов в США, цель которого — ускорить разработку недорогих перовскитных солнечных элементов для мирового рынка.
Это партнерство, похоже, приносит свои плоды: консорциум недавно объявил о весьма обнадеживающих достижениях в технологии перовскита, которые могут повысить эффективность перовскитных солнечных элементов с текущего потолка в ~ 25% до фантастических 66%.
Скоро появятся высокоэффективные перовскитовые фотоэлектрические элементы
Силиконовые панели в значительной степени правят сектором солнечной энергетики: более 90% панелей производятся с использованием этого универсального элемента.
У кремниевых фотоэлементов есть свои преимущества: они довольно прочные и относительно простые в установке. Благодаря достижениям в методах производства они также стали дешевле, особенно за последнее десятилетие, особенно поликристаллические панели, производимые на китайских заводах.
Тем не менее, они по-прежнему имеют существенный недостаток: кремниевые фотоэлектрические панели довольно неэффективны, а самые доступные модели обеспечивают энергоэффективность только 7%-16% в зависимости от таких факторов, как размещение, ориентация и погодные условия. Действительно, солнечные элементы существуют уже более шести десятилетий, но коммерческий кремний едва наскребает до 25%, а теоретически достигает 30%. Такое печальное положение дел связано с тем, что Si-панели имеют пластинчатую основу, а не тонкопленочную, что делает их более прочными и долговечными. Однако компромисс — это эффективность.
Чтобы удовлетворить стремительно растущий в мире энергетический аппетит — и достичь целей по декарбонизации, которые помогли бы замедлить воздействие изменения климата — на создание и установку достаточного количества кремниевых фотоэлектрических панелей потребуются сотни лет. Очевидно, что это слишком медленно, чтобы быть практичным для нашей цели, учитывая, что у нас есть всего 10-летнее окно, чтобы действовать, чтобы предотвратить необратимые и катастрофические изменения климата. В течение многих лет ученые экспериментировали с альтернативными формами кристаллов, которые позволили бы панелям аналогичного размера захватывать больше энергии. До сих пор мало появлялось коммерчески жизнеспособных конструкций, особенно тонкопленочных элементов, которые теоретически могли бы достичь гораздо более высокого уровня эффективности.
Тонкопленочные фотоэлектрические панели могут поглощать больше света и, следовательно, производить больше энергии. Эти панели можно изготавливать дешево и быстро, удовлетворяя больший спрос на энергию за меньшее время. Существует несколько различных типов тонкопленочных панелей, все они немного отличаются от стандартных фотоэлектрических панелей из кристаллического кремния (c-si).
Панели из аморфного кремния (a-si) являются самой старой формой тонкой пленки: химический пар осаждает тонкий слой кремния на стекле или пластике, в результате чего получается панель с низким весом, которая не очень энергоэффективна, составляя 13,6%. Также существуют панели из теллурида кадмия (CdTe), в которых частицы кадмия на стекле используются для производства высокоэффективных панелей. Недостатком здесь является металлический кадмий, который токсичен и его трудно производить в больших количествах.
Эти панели обычно производятся с использованием технологии испарения: частицы перегреваются, и пар распыляется на твердую поверхность, например стекло. Они тонкие, но не такие надежные и долговечные, как панели c-si, которые в настоящее время доминируют на рынке. Перовскит пока что оказался наиболее многообещающим, и теперь ему удалось преодолеть эффективность стеклянного потолка.
Перовскиты — это семейство кристаллов, названное в честь русского геолога Льва Перовского. У них есть набор характеристик, которые делают их потенциальными строительными блоками для солнечных элементов: высокая сверхпроводимость, магнитосопротивление и сегнетоэлектричество. Тонкопленочные фотоэлектрические панели из перовскита могут поглощать свет с более широким спектром длин волн, производя больше электроэнергии при той же интенсивности солнечного излучения.
В 2012 году ученым наконец-то удалось создать тонкопленочные солнечные элементы из перовскита, эффективность которых превышает 10%. Но с тех пор эффективность новых конструкций перовскитных ячеек резко возросла: последние модели могут достигать 20% +, все из тонкопленочных элементов, которые (теоретически) намного проще и дешевле в производстве, чем толстопленочные кремниевые панели.
В Оксфордском университете исследователи достигли эффективности 25%. Немецкая исследовательская группа достигла 21,6%, а новый рекорд был установлен в декабре 2018 года, когда Оксфордская лаборатория достигла эффективности 28%.
Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии NREL создала композитные кремний-перовскитные элементы, поместив перовскиты поверх кремниевых солнечных элементов для создания многопереходных солнечных элементов, при этом эффективность нового элемента составляет 27% по сравнению с 21%, когда используется только кремний.
А теперь самый значительный прорыв: Национальная лаборатория Окриджа, крупнейшая научно-энергетическая лаборатория Министерства энергетики, объявила об открытии новых перовскитных солнечных элементов с горячими носителями, эффективность преобразования которых приближается к 66%.
Согласно ORNL, «открытие может улучшить новые солнечные элементы с горячими носителями, которые преобразуют солнечный свет в электричество более эффективно, чем обычные солнечные элементы, за счет использования фотогенерируемых носителей заряда до того, как они потеряют энергию на тепло».
Главный трюк заключается в том, чтобы солнечные элементы не теряли энергию в виде тепла.
«Когда солнечный свет попадает на солнечный элемент, фотоны создают носители заряда — электроны и дыры — в материале поглотителя. Солнечные элементы с горячими носителями быстро преобразуют энергию носителей заряда в электричество, прежде чем она будет потеряна в виде отработанного тепла. Предотвращение потерь тепла представляет собой серьезную проблему для этих солнечных элементов, которые потенциально могут быть вдвое эффективнее обычных солнечных элементов. Эффективность преобразования обычных перовскитных солнечных элементов повысилась с 3% в 2009 году до более чем 25% в 2020 году. Устройство с горячими носителями может достичь теоретической эффективности преобразования, приближающейся к 66%», — добавляет ORNL.
Пока нет информации о ценах или о том, когда этот продукт может появиться на рынке. Тем не менее, ORNL заявляет, что он близок к тому, чтобы стать коммерческой реальностью и в ближайшем будущем может быть развернут в других реальных приложениях, таких как твердотельное освещение, динамическое обнаружение и срабатывание, расширенное обнаружение излучения, квантовая информатика и фотокатализ.
Время также кажется идеальным, поскольку солнечная энергия будет доминировать на мировой электроэнергетической арене в течение следующих нескольких десятилетий.
