Исследователи из Princeton Engineering разработали первый перовскитовый солнечный элемент с коммерчески жизнеспособным сроком службы, что стало важной вехой для нового класса технологий возобновляемой энергии. Команда планирует, что их устройство может работать выше отраслевых стандартов в течение примерно 30 лет, что намного больше, чем 20 лет, которые используются в качестве порога жизнеспособности солнечных элементов.
Устройство не только отличается высокой надежностью, но и соответствует общепринятым стандартам эффективности. Это первый в своем роде элемент, способный конкурировать с кремниевыми элементами, которые доминировали на рынке с момента их появления в 1954 году.
Перовскиты — это полупроводники с особой кристаллической структурой, благодаря которой они хорошо подходят для солнечных батарей. Их можно производить при комнатной температуре , используя гораздо меньше энергии, чем кремний, что делает их производство более дешевым и экологичным. И в то время как кремний является жестким и непрозрачным, перовскиты можно сделать гибкими и прозрачными, распространяя солнечную энергию далеко за пределы культовых панелей, которые населяют склоны холмов и крыши по всей Америке.
Но, в отличие от кремния, перовскиты очень хрупкие. Ранние перовскитные солнечные элементы (PSC), созданные в период с 2009 по 2012 год, работали всего несколько минут. Прогнозируемый срок службы нового устройства представляет собой пятикратное увеличение по сравнению с предыдущим рекордом, установленным более низким КПД PSC в 2017 году. (Это устройство работало при непрерывном освещении при комнатной температуре в течение одного года. Новое устройство будет работать в течение пяти лет при аналогичные лабораторные условия.)
Команда Принстона, возглавляемая Линн Лу, профессором инженерии Теодорой Д. ’78 и Уильямом Х. Уолтоном III ’74, представила свое новое устройство и новый метод тестирования таких устройств в статье, опубликованной 16 июня в журнале Science.
Лу сказал, что рекордная конструкция подчеркнула длительный потенциал PSC, особенно как способ вывести технологию солнечных элементов за пределы кремния. Но она также указала не только на результаты заголовка, но и на новую технику ускоренного старения, разработанную ее командой, как на более глубокое значение работы.
«Возможно, сегодня у нас есть рекорд, — сказала она, — но завтра кто-то другой придет с лучшим результатом. Самое интересное, что теперь у нас есть способ протестировать эти устройства и узнать, как они будут работать в реальных условиях».
Из-за общеизвестной хрупкости перовскитов долгосрочные испытания до сих пор не вызывали особого беспокойства. Но по мере того, как устройства становятся лучше и служат дольше, тестирование одной конструкции на другую будет иметь решающее значение для внедрения надежных и удобных для потребителя технологий.
«Эта статья, скорее всего, станет прототипом для тех, кто хочет проанализировать производительность на пересечении эффективности и стабильности», — сказал Джозеф Берри, старший научный сотрудник Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, специализирующийся на физике солнечных элементов и не участвует в этом исследовании. «Создание прототипа для изучения стабильности и демонстрация того, что можно экстраполировать [с помощью ускоренного тестирования], делает работу, которую все хотят увидеть, прежде чем мы начнем полномасштабные полевые испытания. Это позволяет вам создавать действительно впечатляющие проекты».
По словам Берри, хотя за последнее десятилетие эффективность росла впечатляющими темпами, стабильность этих устройств улучшалась медленнее. Чтобы они получили широкое распространение и были внедрены в промышленности, тестирование должно стать более сложным. Вот тут-то и проявляется ускоренный процесс старения Лу.
«Такого рода тесты будут приобретать все большее значение», — сказал Лу. «Вы можете сделать самые эффективные солнечные элементы, но не будет иметь значения, если они нестабильны».
Как они сюда попали
В начале 2020 года команда Лу работала над различными архитектурами устройств, которые сохраняли бы относительно высокую эффективность — преобразовывали достаточное количество солнечного света в электроэнергию, чтобы сделать их ценными — и выдерживали натиск тепла, света и влажности, которые бомбардируют солнечный элемент в течение его срока службы.
Сяомин Чжао, научный сотрудник лаборатории Лоо, вместе с коллегами работал над рядом проектов. Усилия накладывали различные материалы, чтобы оптимизировать поглощение света, защищая самые хрупкие участки от воздействия. Они разработали сверхтонкий покрывающий слой между двумя важными компонентами: поглощающим перовскитовым слоем и зарядоносным слоем из соли меди и других веществ. Цель состояла в том, чтобы не допустить выгорания перовскитного полупроводника в течение нескольких недель или месяцев, что было нормой в то время.
Трудно понять, насколько тонок этот покровный слой. Ученые используют для его описания термин 2D, означающий два измерения, как нечто, что вообще не имеет толщины. На самом деле его толщина составляет всего несколько атомов — более чем в миллион раз меньше, чем самая маленькая вещь, которую может увидеть человеческий глаз. Хотя идея 2D-покрывающего слоя не нова, она по-прежнему считается многообещающей развивающейся техникой. Ученые из NREL показали, что 2D-слои могут значительно повысить производительность на дальних расстояниях, но никто не разработал устройство, которое приблизило бы перовскиты к коммерческому порогу 20-летнего срока службы.
Чжао и его коллеги провели множество перестановок этих дизайнов, меняя мельчайшие детали геометрии, меняя количество слоев и пробуя десятки комбинаций материалов. Каждая конструкция отправлялась в световой короб, где они могли облучать чувствительные устройства неумолимым ярким светом и измерять падение их производительности с течением времени.
Осенью того же года, когда первая волна пандемии пошла на убыль и исследователи вернулись в свои лаборатории, чтобы продолжить свои эксперименты в тщательно скоординированные смены, Чжао заметил что-то странное в данных. Один набор устройств, казалось, все еще работал на пределе своих возможностей.
«После почти полугода падения практически не было», — сказал он.
Именно тогда он понял, что ему нужен способ провести стресс-тестирование своего устройства быстрее, чем позволял его эксперимент в реальном времени.
«Жизнь, которую мы хотим, составляет около 30 лет, но вы не можете потратить 30 лет на тестирование своего устройства», — сказал Чжао. «Поэтому нам нужен какой-то способ предсказать эту жизнь в разумные сроки. Вот почему это ускоренное старение очень важно».
Новый метод тестирования ускоряет процесс старения, освещая устройство и нагревая его. Этот процесс ускоряет то, что могло бы произойти естественным путем в течение многих лет регулярного воздействия. Исследователи выбрали четыре температуры старения и измерили результаты по этим четырем различным потокам данных, от базовой температуры типичного летнего дня до экстремальных 230 градусов по Фаренгейту, что выше точки кипения воды.
Затем они экстраполировали объединенные данные и спрогнозировали работу устройства при комнатной температуре в течение десятков тысяч часов непрерывного освещения. Результаты показали, что устройство будет работать с максимальной эффективностью выше 80 процентов при непрерывном освещении в течение как минимум пяти лет при средней температуре 95 градусов по Фаренгейту. Используя стандартные показатели конверсии, Лу сказал, что это эквивалентно 30 годам работы на открытом воздухе в таком районе, как Принстон, штат Нью-Джерси.
Берри из NREL согласился. «Это очень правдоподобно», — сказал он. «Некоторые люди все еще хотят увидеть, как это происходит. Но это гораздо более достоверная наука, чем многие другие попытки прогнозирования».
Майкл Джордан в области солнечных батарей
Солнечные элементы на основе перовскита были изобретены в 2006 году, а первые опубликованные устройства появились в 2009 году. Некоторые из самых ранних устройств работали всего несколько секунд. Другие минуты. В 2010-х срок службы устройств вырос до дней, недель и, наконец, месяцев. Затем, в 2017 году, группа из Швейцарии опубликовала новаторскую статью о PSC, которая длилась один полный год непрерывного освещения.
Между тем, эффективность этих устройств резко возросла за тот же период. В то время как первый PSC показал эффективность преобразования энергии менее 4 процентов, исследователи увеличили этот показатель почти в десять раз за столько же лет. На сегодняшний день это было самое быстрое улучшение, которое ученые видели в любом классе технологий возобновляемой энергии.
Так почему же упор на перовскиты? Берри сказал, что комбинация недавних достижений делает их уникально желательными: новый высокий КПД, исключительная «настраиваемость», которая позволяет ученым делать очень специфические приложения, возможность производить их на месте с низкими затратами энергии, а теперь и надежный прогноз продления срока службы в сочетании с со сложным процессом старения для тестирования широкого спектра конструкций.
Лу сказал, что дело не в том, что PSC заменят кремниевые устройства настолько, что новая технология дополнит старую, сделав солнечные панели еще дешевле, эффективнее и долговечнее, чем сейчас, и расширив солнечную энергию в неисчислимые новые области современной жизни. Например, ее группа недавно продемонстрировала полностью прозрачную перовскитовую пленку (имеющую другой химический состав), которая может превращать окна в устройства, вырабатывающие энергию, не меняя их внешнего вида. Другие группы нашли способы печати фотогальваническими чернилами с использованием перовскитов, что позволило создать форм-факторы, о которых ученые только сейчас мечтают.
Но главное преимущество в долгосрочной перспективе, по словам Берри и Лу, заключается в том, что перовскиты можно производить при комнатной температуре, тогда как кремний выковывается при температуре около 3000 градусов по Фаренгейту. Эта энергия должна откуда-то поступать, и на данный момент это означает сжигание большого количества ископаемого топлива.
Берри добавил: «Поскольку ученые могут легко и широко настраивать свойства перовскита, они позволяют разрозненным платформам плавно работать вместе. Это может быть ключевым моментом в свадебном кремнии с новыми платформами, такими как тонкопленочные и органические фотоэлектрические элементы, которые также добились значительного прогресса в последние годы.
«Это похоже на Майкла Джордана на баскетбольной площадке», — сказал он. «Отлично само по себе, но это также делает всех других игроков лучше».
