В Австралии, спустя 15 лет после начала разработки технологии производства гибких солнечных панелей из перовскита, стартовало их опытное производство. Предприятие стоимостью $4,4 млн начало работать в пригороде Мельбурна — Клейтоне. Солнечные элементы на заводе производятся в непрерывном цикле методом печати в виде рулонов. Технология близка к коммерческому уровню, но до выхода на рынок может пройти ещё не менее 5–10 лет.

Источник изображений: CSIRO

Гибкие солнечные панели печатаются в виде 4–5-слойной структуры в непрерывном цикле, включая ламинирование. На выходе получается готовый к использованию продукт. В сутки производство способно выдавать 14 тыс. солнечных элементов. Однако это всё ещё лаборатория, управляемая исследователями CSIRO — Австралийского научно-исследовательского агентства.

Для коммерциализации технологии будут важны масштаб производства, эффективность панелей и длительность их жизненного цикла, с чем у перовскитов есть проблемы. Что касается эффективности, в марте 2024 года представители CSIRO сообщили,

что КПД гибких перовскитных фотопанелей в сборе (для панелей большой площади) составляет 11 %, а для индивидуальных ячеек — 15,5 %. С таким КПД на рынок не выйти, разве что для панелей, предназначенных для особенных условий эксплуатации.

Австралийские учёные считают, что даже низкий КПД лучше, чем его полное отсутствие. Гибкие солнечные панели могут использоваться для энергетического обеспечения электромобилей, домов на колёсах, строений, носимой электроники и там, где нет возможности устанавливать классические кремниевые солнечные панели. Гибкие перовскитные элементы не призваны заменить кремниевые панели, а лишь гармонично дополняют их.

Вся производимая заводом гибкая фотовольтаика будет передаваться исследователям и разработчикам для оценки её возможностей и проектирования перспективных изделий с её использованием. Это пока не коммерциализация технологии, но шаг к приближению этого момента.

Европейский орбитальный эксперимент OOV-Cube на высоте 933 км показал высокую устойчивость тонкоплёночных тандемных перовскитных солнечных элементов к радиации. В этом плане они оказались не хуже традиционных кремниевых элементов и при этом сулят повышение эффективности космических солнечных установок с 22–25 % до 35 % и даже до 45 %. Более того, тандемные перовскитные элементы доказали возможность самовосстановления, что само по себе дорогого стоит.

Источник изображений: ESA

Миссия OOV-Cube (On-Orbit Verification Cube, проверочный орбитальный куб) проводится с участием Европейского космического агентства, которое обеспечило запуск небольшого спутника на орбиту в июле 2024 года. Производством спутника занималась компания Rapid Cubes GmbH. На себе он несёт несколько экспериментальных фотоэлектрических панелей двух типов, и все они с перовскитными плёнками: одни элементы состоят из слоёв перовскита и кремния, а другие — из перовскита и CIGS (селенида меди индия галлия). Сами элементы созданы группой учёных из Потсдамского университета, исследовательского центра Helmholtz-Zentrum Berlin и Технического университета Берлина.

Тандемные солнечные элементы позволяют собрать больше света в расширенном диапазоне чувствительности. В обоих случаях перовскит поглощает фотоны сине-зелёного спектра, а кремний и CIGS — красного и инфракрасного, чем достигается более высокий уровень КПД тандемных ячеек. Хотя вопросы относительно долговечности перовскита остаются, испытания на орбите показали, что перовскитно-кремниевые тандемные панели деградируют так же, как традиционные кремниевые модули, что снимает некоторые из опасений относительно того, что они могут портиться быстрее.

Высота орбиты OOV-Cube выбрана такой, что спутник летает в ближайшем к Земле поясе Ван Аллена, где наиболее высока радиация. Это сделано специально, чтобы испытать способность перовскитных элементов восстанавливать повреждения самостоятельно. Первые результаты обнадёживают.

Деградация солнечных панелей свойственна как более традиционным кремниевым изделиям, так и перовскитным. Последние считаются более перспективными благодаря меньшим затратам на производство и гибкости своей структуры, но под воздействием атмосферной влаги и нагрева они быстро разрушаются. Компания Canon разработала покрытие, которое увеличивает срок службы солнечных панелей из перовскита вдвое до 20 или 30 лет.

Источник изображения: Nikkei

По крайней мере, на двукратное увеличение эксплуатационного ресурса солнечных панелей из перовскита после использования фирменного покрытия рассчитывают специалисты Canon. Его толщина будет варьироваться от 100 до 200 нм, наличие такого покрытия заметно снизит потребность солнечных панелей из перовскита в обслуживании и ремонте.

Японские производители лидируют в разработке солнечных панелей из перовскита, а потому надеются быстрее перейти к их серийному выпуску, обеспечив себе технологическое превосходство над китайскими конкурентами. Последние уже обошли японских производителей в сегменте традиционных кремниевых солнечных панелей, поэтому японская промышленность рассчитывает на реванш именно благодаря внедрению перовскита.

Canon при разработке покрытия для солнечных панелей опиралась на свой опыт в создании фоторецепторов, являющихся важным компонентов при изготовлении лазерных принтеров. Компания советовалась с изобретателем перовскитной солнечной панели Цутому Миясакой (Tsutomu Miyasaka). Массовый выпуск защитного покрытия Canon рассчитывает освоить в 2025 году на своём предприятии в префектуре Фукуи. К концу десятилетия компания рассчитывает получать десятки миллионов долларов выручки от реализации данного вида продукции.

Компания Eneos Holdings попутно нарастит производство йода, который используется при изготовлении перовскитных солнечных панелей. К 2032 году, по оценкам Fortune Business Insights, ёмкость мирового рынка перовскитных солнечных панелей достигнет $6,58 млрд, увеличившись в 36 раз относительно нынешнего уровня. Власти Японии предусмотрели крупные субсидии, направленные на развитие производства перовскитных солнечных панелей на территории страны.

Исследователи из Линцского университета создали миниатюрный квадрокоптер, который для своего питания использует энергию исключительно от солнечных панелей. Тончайшие лепестки солнечных панелей из перовскита в 40 раз тоньше листа бумаги и вместе с креплением составляют лишь 5 % массы дрона. У них рекордный показатель соотношения вырабатываемой мощности к весу, что обещает появление интересных мобильных решений и гаджетов.

Источник изображения: Nature Energy

Перовскитные солнечные панели имеют большие перспективы в области фотовольтаики. Однако они пока в основном проявляют себя в лабораторных условиях, поскольку крайне чувствительны, например, к влажности. Для защиты экспериментальных солнечных элементов из перовскита учёные из Австрии покрыли их оксидом алюминия, а саму основу нанесли на полимерную плёнку. Общая толщина элемента составила 2,5 мкм, что является отличительной чертой перовскитных материалов.

Всего на небольшом дроне с четырьмя электродвигателями (и винтами) было установлено 24 отдельных модуля, каждый площадью в 1 см². Генерируемой этими элементами энергии оказалось достаточно для приведения в движение роторов и взлёта дрона. КПД панелей не отличался рекордными значениями — он был не выше 20 %. Но важным стал их маленький вес: каждая из ячеек весила чуть меньше 1 мг, а их доля в общем весе дрона была значительно ниже 1 %. Есть также учесть электронику и крепёжные материалы, то даже в этом случае вклад подсистемы питания остается ниже 5 % массы квадрокоптера.

Нехитрые расчёты показывают, что соотношение генерируемой панелями дрона мощности к его массе составляет 44 Вт/г. Для сравнения, обычные солнечные панели из кремния для установки на частных площадках характеризуются соотношением 0,03 Вт/г. Согласитесь, разница есть и она колоссальная. Развитие этой разработки будет встречено с радостью ценителями мобильности во всех её проявлениях.

Япония и весь мир проиграли Китаю на рынке кремниевых солнечных панелей. По данным Международного энергетического агентства, китайские компании контролируют более 80 % в мировой цепочке поставок кремниевых солнечных панелей и ещё больше в сфере выпуска поликристаллического кремния для таких панелей. Переломить ситуацию можно только с помощью новых решений, которыми должны стать тонкоплёночные перовскитные солнечные панели.

Источник изображения: George Nishiyama/The Wall Street Journal

«Мы выиграли в технологии, но проиграли в бизнесе», — заявил Хироо Иноуэ (Hiroo Inoue), генеральный директор Японского агентства природных ресурсов и энергетики, добавив, что японские фирмы постигла аналогичная участь в производстве жидкокристаллических дисплеев и полупроводников. Но в Японии продолжают считать, что инженерный и научный персонал в стране всё ещё качественно опережает китайский.

Массовое производство тонкоплёночных перовскитных солнечных панелей может стать тем рычагом, который опрокинет доминирование Китая на рынке солнечных элементов. По крайней мере, власти Японии не жалеют средств, чтобы подтолкнуть отечественные компании к массовому производству перовскитных элементов. На эти цели, например, с недавних пор выделено свыше $400 млн и этим власти не ограничатся. В США также выделяются бюджетные средства на разработку перовскитных фотоэлементов.

Перовскитные фотоэлементы начали своё восхождение менее десяти лет назад. К сегодняшнему дню массовые кремниевые солнечные элементы имеют КПД не выше 22 %. Опытные перовскитные элементы, которые готовят к массовому производству, готовы стартовать с КПД от 25 %. К этому следует добавить намного менее энергоёмкое производство панелей с перовскитом, которое не требует обжига, как кремниевые пластины. Также перовскит может наноситься из жидкой фазы на плёнки, что позволит покрыть фотопанелями едва ли не любую поверхность. На ощупь они как фотоплёнка, только намного шире, говорят разработчики. Толщина перовскитного слоя составляет всего 1 мкм. Кремний раз в 20 толще и тяжелее. Это прошлый век, считают в Японии.

Одними из первых массовый выпуск фотопанелей из перовскита в Японии намерена начать компания Sekisui Chemical. Она будет выпускать перовскитные панели рулонами шириной 30 см. Строительство фабрики уже началось. Начало производства ожидается в 2025 году. Такие панели можно будет использовать также в помещении, собирая энергию от света везде, где только можно. Обычным солнечным панелям из кремния такое даже не снилось. Для гибких панелей есть столько места, что эта ниша будет ещё не скоро заполнена.

Важным моментом производства перовскитных панелей станет независимость от поставок сырья из Китая. Для Японии и других передовых стран это одно из самых больных мест. «Посмотрите, что Китай делает с полупроводниками. Это издевательство, — говорит учёный Цутомо Миясака, один из ведущих специалистов страны по перовскитам, имея в виду ограничения Пекина на экспорт редкоземельных элементов галлия и германия, используемых в чипах. — Компоненты из перовскитовых элементов могут быть изготовлены внутри страны».

В частности, для выпуска перовскитных фотоячеек требуется много йода. Япония является одним из крупнейших в мире поставщиком этого элемента. Треть йода на мировом рынке японского производства. Больше йода поставляет только Чили. Япония может не бояться зависимости от Китая в случае массового выпуска перовскитных ячеек.

Почти всё хорошо. Но значительным минусом перовскитных фотоэлементов остаётся их высокая чувствительность к влаге из окружающего воздуха. Это быстро приводит в негодность потенциально хорошие панели. Их нужно защищать от этого и японские учёные создали перспективный герметик, который не даёт панелям превратиться в слизь. Панели Sekisui Chemical смогут работать целых 10 лет и оставаться эффективными всё это время. Хвалёное долголетие кремниевых солнечных панелей, кстати, оказалось далеко от заявленных 25 лет. Они тоже начинают быстро деградировать после 10 лет эксплуатации.

Премьер-министр Японии Фумио Кисида пообещал сделать технологию производства перовскитных фотопанелей коммерчески жизнеспособной в течение двух лет. Япония импортирует около 90 % энергии и энергоносителей с тех пор, как закрыла большинство своих атомных станций после катастрофы на АЭС «Фукусима» в 2011 году. Цель Кисиды амбициозна, но японские инженеры и чиновники настроены оптимистично, ссылаясь на последние технологические достижения.

«Чем сложнее это [технология производства] будет, тем труднее китайцам будет скопировать её», — сказал Миясака, профессор Университета Тоин в Йокогаме и бывший сотрудник лаборатории компании Fujifilm в области солнечных технологий.

Учёные из бельгийского исследовательского центра Imec создали настолько яркие светодиоды из перовскита (PeLED), что они оказались в тысячу раз мощнее светодиодов из органических материалов. Спонсируемая структурами Европейского союза разработка обещает приблизить появление нового типа полупроводниковых лазеров на PeLED, что подтолкнёт развитие проекционных и зондирующих систем в жизни, медицине и промышленности.

Прототип сверхъяркого светодиода из перовскита на сапфировой подложке. Источник изображения: Imec

Перовскиты — особые соединения полупроводниковых материалов — уже зарекомендовали себя в сфере фотовольтаики. Они позволяют создавать элементы на гибкой подложке, поддерживают высокую мобильность электронов и обещают быть недорогими при производстве. Также они рассматриваются как кандидаты в светодиоды. Именно по этому пути пошли учёные из Imec, когда начинали проект ULTRA-LUX.

Главная задача, которая стояла перед учёными, заключалась в обеспечении подвода тока беспрецедентной плотности на малом участке подложки. Исследователи смогли найти решение в виде чередования прозрачных и непрозрачных слоёв металлизации на сапфировой подложке. Достигнутая на прототипе светодиода PeLED плотность тока составила 3000 А/см².

Старший научный сотрудник Imec и главный исследователь проекта профессор Пол Хереманс (Paul Heremans) пояснил: «Эта новая архитектура транспортных слоёв, прозрачных электродов и перовскита в качестве полупроводникового активного материала может работать при плотности электрического тока в десятки тысяч раз выше (3 кА/см²), чем у обычных OLED».

Целью исследователей не является разработка сверхъярких экранов для смартфонов или другой электроники. Они ищут путь к созданию полупроводниковых лазеров на основе перовскита, и проделанная работа подводит их к этому.

«В проекте ULTRA-LUX Imec впервые продемонстрировала архитектуру PeLED с низкими оптическими потерями и накачала эти PeLED до плотности тока, которая поддерживает стимулированное излучение света», — говорят учёные. Это уже шаг в область создания тонкоплёночных инжекционных полупроводниковых лазеров из перовскита, что становится ключевой вехой на пути к созданию лазера для покорения новых высот в проецировании изображений, зондировании окружающей среды, медицинской диагностике и за её пределами.

Японская химическая компания Sekisui Chemical объявила о строительстве производства для серийного выпуска гнущихся перовскитных солнечных панелей. Новинка обещает более скромные, чем в случае с кремниевыми панелями, сроки эксплуатации и КПД, но зато они лёгкие и гибкие, что расширит сферу использования солнечных панелей.

Источник изображения: Takako Fujiu / asia.nikkei.com

Ранее компания объявила о совместном с японским IT-гигантом NTT Data проекте по облицовке центров по обработке данных гибкими перовскитными солнечными панелями. Производитель выпускает панели шириной 30 см и в будущем намерен перейти на выпуск панелей шириной 1 метр.

В сообщении на сайте asia.nikkei.com говорится, что срок эксплуатации гибких панелей окажется сравнительно небольшим — всего 10 лет, тогда как традиционные кремниевые панели должны выдерживать до 25 лет без существенного снижения эффективности. Малый срок службы перовскитных панелей объясняется высокой чувствительностью материала к влаге. В новинке используется испытанная временем технология влагоизоляции, которая была отработана на производстве жидкокристаллических панелей, и со временем она будет улучшена, чтобы панели из перовскита работали ещё дольше.

Эффективность первых массовых перовскитных гибких солнечных фотоэлементов Sekisui Chemical будет на уровне 15 %, что как минимум на 5 % ниже показателей у кремниевых фотопанелей. Этот недостаток будет компенсировать гибкость, которая обычному кремнию недоступна.

В новое производство Sekisui Chemical вложит более 10 млрд иен ($68 млн). Планируемый годовой объём производства составит «несколько сотен тысяч квадратных метров к 2030 году» — этого будет достаточно для обеспечения энергией примерно 4 тыс. домохозяйств. Откровенно говоря, это скромно, но необычно. Стоит напомнить, что власти Японии начали программы субсидирования отраслей, занятых в разработке и производстве солнечных панелей. Это должно помочь снизить зависимость от Китая в данной сфере.

Двусторонняя солнечная батарея, разработанная в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США (NREL), улавливает отражённый солнечный свет, попадающий на обратную часть устройства. Обратная сторона этой перовскитной панели обеспечивает более 90 % от эффективности лицевой стороны. Этот новый подход может расширить возможности солнечных панелей по генерированию энергии сверх их теоретического предела.

Источник изображения: Pixabay

Классические технологии солнечных элементов, в которых в качестве полупроводникового материала используется кремний, имеют коэффициент полезного действия около 26 %, что выше 23 %, достигнутых в лабораторных испытаниях на передней стороне новой панели. Но в двухсторонней панели обратная сторона генерирует дополнительное количество электроэнергии с эффективностью около 91–93 % по сравнению с передней, что увеличивает отдачу батареи на 20 %.

В последние годы перовскит (титанат кальция — CaTiO₃) стал ключевым фактором в развитии солнечных элементов, установив новые рекорды эффективности и открыв новые пути для создания технологий следующего поколения. Тандемные кремний-перовскитные солнечные элементы достигли измеренной в лаборатории эффективности более 30 %, а их теоретический предел намного выше, чем у чисто кремниевых элементов.

Быстрый прогресс в разработке привёл к тому, что уже две компании объявили о начале коммерческого выпуска панелей следующего поколения. Производство двусторонних солнечных панелей обойдётся дороже, чем односторонних модулей, однако их способность производить больше энергии может со временем сделать их более экономически выгодными.

Издание South China Morning Post сообщает, что учёные из Нанкинского университета создали самую эффективную в мире солнечную ячейку из двух слоёв перовскита. КПД новой ячейки достиг значения 29 %. Но самое интересное, что учёные создали компанию для начала массового производства перовскитных солнечных элементов, линии которой разовьют достаточную мощность уже к сентябрю этого года.

Источник изображения: Nanjing University

Группа китайских исследователей побила собственный рекорд, установленный в июне прошлого года. Тогда КПД тандемной перовскитной ячейки достиг 28 %. За год группа улучшила результат и теперь заявляет о достижении самой высокой в мире эффективности для данного типа ячеек — на уровне 29 %.

Отметим, тандемные ячейки из перовскита и кремния показывают более высокие результаты. По последним данным — это 33,2 %. Тем не менее, тандемные ячейки из одного лишь перовскита, точнее, из двух соединённых друг с другом перовскитных плёнок, в перспективе обещают оказаться предпочтительнее иных вариантов.

Перовскит при массовом производстве будет дешевле кремния. Китайцы, например, рассчитывают снизить цену на солнечные ячейки из перовскита в два раза по сравнению с кремниевыми. Кроме того, ячейки из перовскита можно выпускать по струйной технологии и делать их очень и очень тонкими, а это даст возможность наложить плёнку на поверхность едва ли не любой кривизны.

Добиться рекордного КПД для тандемной ячейки из одного лишь перовскита учёные смогли благодаря оптимизации промежуточного слоя, который должен был быть максимально прозрачным и обладать максимально возможной проводимостью для электронов. Верхний слой перовскита в тандеме был подобран для поглощения более коротких длин волн солнечного света, а нижний — более длинных.

Имитация длительного времени службы показала, что новые ячейки сохраняют эффективность на уровне 90 % после 600 часов непрерывной работы под солнечным светом.

Для коммерческого продвижения разработки учёные создали стартап Renshine Solar. В этом году компания подписала соглашение о совместном промышленном проекте с правительством города Чаншу в провинции Цзянсу и построила производственную линию, которая должна достичь мощности 150 МВт уже к сентябрю (в новости не уточняет, но это скорее, годовая мощность производства). О перовскитных ячейках много говорят учёные, и было бы интересно увидеть их в живой природе.