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.

Американская компания Revkor и немецкая H2 Gemini сообщили о планах в течение года создать в США крупнейшее в мире производство перовскитных солнечных панелей. Первый комплекс мощностью 5 ГВт в год начнёт выпускать продукцию во втором квартале 2024 года. На полную мощность предприятие выйдет к концу 2025 года с объёмом 20 ГВт панелей в год. Это будет самое передовое производство солнечных панелей в мире, что отражает стремление США быть первыми в этой отрасли.

Цех будущего завода в представлении художника. Источник изображения: Revkor

Партнёры уже строят первую производственную площадку площадью около 93 тыс. м². Также начались работы по строительству исследовательского корпуса аналогичной площади. Работы ведутся в штате Юта в окрестностях Солт-Лейк-Сити, что позволяет рассчитывать на финансовые льготы и субсидии от властей города и штата.

Важно отметить, что немецкий производитель оборудования — компания H2 Gemini — передаст американской стороне секреты производства и технологии, что позволит на базе производства продолжить научно-исследовательские работы по совершенствованию перовскитных солнечных панелей, графена и ряда других материалов и процессов.

Сравнение структуры современных солнечных ячеек и HJT

Также компания Revkor приобрела у компании Suzhou Maxwell Technology лицензию на использование в Северной Америке и на Ближнем Востоке техпроцессов производства солнечных панелей с гетеропереходом (HJT). Тем самым новые панели будут сочетать все самые передовые технологии в солнечной фотовольтаике — перовскит и HJT. В теории они будут иметь КПД заметно выше 22 %, на чём остановились массовые кремниевые фотоячейки.

Вклад компании H2 Gemini в совместное предприятие будет сделан технологиями, промышленным оборудованием и в виде управления процессами по установке и запуску производства. Компания Revkor берёт на себя строительство, что также потребует несколько миллиардов долларов вложений. Часть средств Revkor надеется вернуть благодаря новым инфраструктурным инициативам властей США, в частности, по Закону об инфраструктуре и Закону о чипах и науке (CHIPS Act).

Диаграмма вариантов производства солнечных ячеек (действующих и перспективных)

Преимущества перовскитных солнечных панелей, напомним, заключается в сравнительно простых процессах изготовления. Например, они могут выпускаться с применением струйных технологий. Технология гетеропереходов, в свою очередь, также упрощает производство за счёт снижения числа технологических операций и благодаря низкотемпературному процессу. Но всё это требует совершенно нового производственного оборудования, что пока крайне затратно и до конца не изучено на практике.

Hyundai Motor рассказала о шести разработанных нанотехнологиях, способных повлиять на развитие транспорта будущего — спектр их применения простирается от машин с автопилотом до программно определяемых автомобилей.

Источник изображения: Hyundai Motor Group

Первым новым наноматериалом от Hyundai Motor стало самовосстанавливающееся полимерное покрытие, позволяющее удалять царапины и отталкивать воду с поверхности камер и лидаров на беспилотных автомобилях. При комнатной температуре материал восстанавливается за два часа, а при -10 °C процесс занимает около суток. В серийном производстве технология начнёт применяться в 2025–2026 гг. Вторая нанотехнология связана с первой: полимерное покрытие масляных капсул позволяет уменьшить трение и износ автодеталей — эффективность этого решения на 50 % выше, по сравнению с аналогами других разработчиков. Эта технология дебютирует в серийных машинах Hyundai и Kia уже в текущем году.

Третья нанотехнология представляет собой солнечную перовскитную солнечную батарею, которая поглощает до 10 раз больше солнечного света по сравнению с кремниевой. Четвёртым решением стал так называемый тандемный солнечный элемент, сочетающий перовскит и кремний и предлагающий более высокую 30-% эффективность, чем кремниевые или перовскитные элементы по отдельности. Установка таких элементов на крышах, капоте и дверях электромобиля добавит машине от 20 до 40 км запаса хода.

Пятая технология — устанавливаемый на сиденьях сенсор давления на основе углеродных нанотрубок. Он позволит экономить 140 Вт электроэнергии и предлагает дополнительные функции: измерение дыхательного ритма и частоты сердечных сокращений. Технология имеет значительный потенциал не только в автопроме, но и в отрасли здравоохранения. Наконец, последней инновацией стала охлаждающая плёнка, предназначенная для нанесения на окна автомобилей — этот компонент позволяет уменьшить внутреннюю температуру на 6,89 °C ниже, чем существующие аналоги.

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.

Развёртывание солнечных ферм — это инвестиции в будущее. Эффект от немалых вложений в солнечные фермы проявит себя через многие-многие годы. И тем более досадно, что производители дают весьма завышенные оценки продолжительности эффективной работы солнечных панелей. Как показало новое исследование, в своей массе современные солнечные панели вырабатывают свой ресурс гораздо быстрее заявленных 25 лет.

Измерение вольт-амперных характеристик фотопанели от одного из производителей в исследовании. Источник изображения: Energy Conversion and Management

В статье в журнале Energy Conversion and Management группа учёных из Ганы исследовала 48 солнечных панелей от 12 производителей. Фотопанели были отобраны по 4 штуки от каждого бренда методом стратифицированной случайной выборки с ферм, проработавших в одинаковых условиях от 5 до 9 лет даже без частичного затенения. Все панели, уточним, это массовые недорогие фотоэлементы из поликристаллического кремния. У более дорогих фотопанелей из монокристаллического кремния результат, вероятно, будет лучше, но за редкостью использования они пока не могут формировать статистику. Также следует учитывать, что в Гане, где была проверена скорость деградации поликристаллических фотопанелей, жаркий и одновременно влажный климат, что могло сказаться на сокращении срока службы солнечных панелей.

В целом оказалось, что фотопанели 11 производителей деградировали настолько быстро, что они выйдут из строя раньше 20 лет эксплуатации, не говоря об обещанных 25 годах гарантированной работы. Фотопанели 12-го производителя в целом деградировали в соответствии с заявленными характеристиками и могут считаться надёжными, хотя исследователи не могут утверждать о характеристиках иных партий фотопанелей этого производства. Поэтому, в частности, имена компаний-производителей фотопанелей держатся в секрете. Без глобального исследования было бы опрометчиво ругать одних и хвалить других.

В исследовании участвовали образцы фотопанелей мощностью от 100 до 460 Вт. Во-первых, сначала был проведён визуальный осмотр образцов согласно методике, разработанной Национальной лабораторией возобновляемой энергии Министерства энергетики США (NREL). После этого каждая панель была проверена в работе с помощью тестера PV210 компании Seaward.

Тестирование показало, что минимальная скорость деградации анализируемых модулей составила 0,79 % в год, а максимальная — 1,67 % в год. Скорость деградации модулей была разная: в диапазоне 0,78–1,95 % в год при средней и медианной скорости деградации 1,36 % в год и 1,38 % в год.

Фотопанели только одного производителя деградировали менее чем на 0,8 % в год, в то время как модули остальных производителей деградировали более чем на 1,0 % в год. Это означает, что панели могут выйти из строя гораздо раньше 20 лет эксплуатации. Шесть модулей из 48, скорее всего, проработают больше 20 лет и только четыре — заявленные производителем 25 лет. При этом учёные отметили, что скорость деградации не зависела от возраста модулей. Одинаково быстро деградировали как более «молодые» панели, так и более «старые».

В своей статье учёные подчеркнули, что по имеющимся у них данным, подобная скорость деградации поликристаллических солнечных панелей замечена исследователями в других странах. Было бы неплохо внести ясность в этот вопрос.

Учёные из Университета Пенсильвании создают солнечные элементы из нетипичного материала — из условно двумерных дихалькогенидов переходных металлов (TMDC). Эти материалы обладают сравнительно низкой эффективностью преобразования света в электричество, но они в сто раз легче современных кремниевых фотопанелей. Для космоса малый вес — это решающее преимущество. Но над панелями из ДПМ ещё предстоит поработать.

Источник изображения: Pixabay

Толщина ДПМ-плёнки не больше нескольких атомов. Это на несколько порядков тоньше, чем слой кремния или арсенида галлия в современных фотопанелях. Это позволит сделать солнечные ячейки из ДПМ в сто или более раз легче. Для расширения присутствия человека в космосе — на орбите, лунах и других планетах — вес транспортируемых с Земли грузов будет иметь критическое значение. Придёт время, и от кремния в космической энергетике придётся отказаться. И тогда, уверены исследователи, настанет звёздный час лёгких фотопанелей из дихалькогенидов переходных металлов.

Впрочем, у ДПМ-материалов есть существенный недостаток. Все созданные до сегодняшнего дня образцы фотоэлементов на их основе демонстрировали КПД не выше 5 %. В пересчёте на вес это всё равно лучше, чем у кремния, но в идеальном случае КПД перспективного материала необходимо повышать, что, например, можно делать путём оптимизации структуры фотоячейки. Именно этим занялись учёные из Университета Пенсильвании и добились ощутимого успеха — предложили структуру ДПМ-ячейки с КПД 12 %.

Следует уточнить, что заявленный КПД достигнут на цифровой модели фотоэлемента. Исследователи решили начать не с опытов, а с моделирования, в чём есть определённый смысл — так дешевле и быстрее. Но на базе цифровой модели и выработанных методик, уверены специалисты, они или их коллеги смогут в ближайшие четыре–пять лет представить физические образцы солнечных элементов из дихалькогенидов переходных металлов с КПД не менее 10 %.

Источник изображения: Device

Секрет разработки, о которой учёные рассказали в свежем номере журнала Device, кроется в многослойной структуре элемента (плёнка на плёнке, когда начинают работать многочисленные переотражения фотонов), а также в конструкции электродов, которая позволяет эффективно управлять экситонами — главными действующими элементами двумерных ДПМ-структур. Но всё это пока на бумаге. Ждём практической реализации.

Компания SolarBotanic Trees представила металлические деревья с семиметровой кроной, которые будут улавливать солнечную энергию через нанофотоэлектрические «листья» и хранить её в аккумуляторе, размещённом в стволе дерева. Накопленную электроэнергию предполагается использовать для зарядки электромобилей (EV). Недавно компания завершила создание первичного прототипа и теперь собирается построить и испытать полноразмерную версию. Коммерческое производство деревьев намечено на конец года.

Источник изображений: SolarBotanic

«В Великобритании существует огромный дефицит (зарядной) инфраструктуры, поэтому мы стремимся работать рука об руку с поставщиками инфраструктуры EV» — говорит Крис Шелли (Chris Shelley), генеральный директор SolarBotanic Trees. Ряд компаний уже предлагают навесы с солнечными батареями, которые располагаются над парковочными местами, однако они «эстетически непривлекательны». Солнечные деревья, ранее представленные в сингапурском парке Gardens by the Bay и в павильоне устойчивого развития на выставке Expo 2020 Dubai, могут предложить именно это. Помимо прочего, такие деревья занимают меньше места, поэтому их легче разместить в общественных местах.

Стоимость одного дерева SolarBotanic ожидается в пределах от 18 000 до 25 000 фунтов стерлингов ($22 000 — 30 000), что значительно больше, чем у обычных солнечных батарей. Мощность зарядки от дерева составит пять киловатт, что типично для стандартной зарядной станции. При такой мощности зарядка автомобиля с 50-киловаттной батареей с 20 до 80% займёт почти семь часов. «Такая скорость зарядного пункта больше подходит для тех случаев, когда автомобиль простаивает в течение длительного времени» — говорит Рейчел Свитек (Rachel Swiatek), руководитель программы по транспорту в EST. Стартап также планирует разработать более компактную и доступную версию дерева на 3,2 киловатта, которая, будет стоить от 10 000 до 15 000 фунтов стерлингов ($12 000 — 18 000). Эта модель подойдёт для университетских кампусов, торговых центров и других мест.

Каждое дерево получит систему хранения энергии и управления питанием, управляемую искусственным интеллектом, которая объединит несколько деревьев в локальные микросети или подключит дерево к общей сети, чтобы избыток произведённой энергии мог быть возвращён в сеть. Также дерево сможет отдавать энергию ночью или в тёмные зимние дни, когда нет солнечного света, подключаясь к электросети. Чтобы уменьшить зависимость от сети, стартап планирует интегрировать в ствол дерева систему аккумуляторов, чтобы избыток энергии в дневное время сохранялся для использования ночью.

SolarBotanic Trees уже привлекла 340 000 фунтов стерлингов ($420 000) и собирается начать раунд финансирования в конце года после испытаний полномасштабного прототипа. К 2025 году компания хочет создавать не менее 1000 устройств в год. Первые солнечные деревья будут установлены в Великобритании, а затем в Европе и Северной Америке.

Крупнейший в Японии производитель стекла — консорциум Nippon Sheet Glass (NSG) — собирается на практике испытать фотоэлектрические окна. Они будут пропускать видимый свет, но станут улавливать инфракрасные и ультрафиолетовые длины волн, чтобы превращать их в электрический ток. Здание станет получать «зелёное» электричество и в процессе эксплуатации значительно сократит выбросы парниковых газов.

Те самые окна. Источник изображения: Eneos

Фотоэлектрические стёкла компания NSG производит по технологии, разработанной Массачусетским технологическим институтом (MIT) и Университетом штата Мичиган (MSU). В 2011 году для рыночного продвижения разработки была создана компания Ubiquitous Energy. На сегодняшний день на основе фотоэлектрических стёкол Ubiquitous Energy реализовано несколько пилотных проектов. Затеянный NSG проект, возможно, станет самым масштабных из них.

Остекление прозрачными фотоэлектрическими панелями будет сделано на железнодорожной станции Takanawa Gateway Station в Токио. Фотоэлектрические окна будут установлены на два месяца, но если они себя покажут с хорошей стороны, то смогут работать дольше. Окна будут передавать выработанное электричество на аккумуляторы и дальше через интерфейс в раме. Также в окна будут встроены датчики освещённости, температуры и скорости ветра. Это позволит развернуть «умное» регулирование климата в помещении, когда систему фотоэлектрических окон с датчиками подключат к местной системе отопления/кондиционирования.

Проекты по остеклению оконных проёмов зданий и фасадов целиком прозрачными или декоративными фотоэлектрическими панелями пока можно пересчитать по пальцам одной руки. Самым масштабным из них можно считать строительство многоэтажки в Австралии, чей фасад будет целиком покрыт фотоэлектрическими панелями. Проект NSG будет намного скромнее, но его легче будет реализовать и проанализировать.

Четыре месяца назад учёные из Германии установили очередной рекорд по эффективности тандемных солнечных элементов с перовскитом, создав ячейку с КПД 32,5 %. Сегодня их обошли учёные из Саудовской Аравии. Группа инженеров из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы (KAUST) изготовила перовскитно-кремниевый солнечный элемент с эффективностью 33,2 %, что подтвердили в ESTI и внесли в реестр рекордов NREL.

Источник изображения: KAUST

Сегодня рынок заполняют обычные солнечные ячейки из кристаллического кремния с КПД 20–22 %. Очевидно, что для достижения глобальных целей в возобновляемой энергетике этого недостаточно. Эффективность солнечных элементов должна быть выше, чтобы электрическая энергия, добываемая с помощью Солнца, оказалась хотя бы отдалённо сравнима по стоимости с «ископаемой» энергетикой. Такие элементы могут быть созданы из пары кремний-перовскит, когда каждый элемент эффективно поглощает волны своей длины. Ожидается, что рынок подобных тандемных элементов достигнет к 2032 году стоимости около $10 млрд.

Созданный исследователями KAUST тандемный солнечный элемент сочетает в себе верхние элементы из перовскита на промышленно совместимых нижних элементах из кремния с двухсторонней текстурой. Верхний слой перовскита лучше всего поглощает синий свет, в то время как кремниевая основа лучше всего поглощает красный свет. Более того, авторы разработки утверждают, что они не только создали самый эффективный тандемный кремний-перовскитный элемент, но также превзошли солнечные элементы с двумя p-n переходами, в которых не используется концентрированный солнечный свет.

На новом этапе команда разработчиков будет изучать возможность масштабировать производство тандемных ячеек до площадей свыше 240 см², а также намерена создать и сертифицировать тандемные ячейки, которые прошли бы критические промышленные испытания стабильности. Перовскит, как известно, не отличается стабильностью в полевых условиях и для массового использования необходимы технологии его защиты от влаги и, в целом, от атмосферного воздействия.

Ветряные турбины и солнечные электростанции Китая вырабатывают почти столько же электроэнергии, сколько требуется для обеспечения почти каждого жилого дома в стране, пишет издание Bloomberg, ссылающееся на данные Национальной энергетической администрации (National Energy Administration, NEA).

Источник изображения: Sungrow EMEA / unsplash.com

В отчёте ведомства указывается, что объёмы генерации ветряной и солнечной энергии в прошлом году увеличились на 21 % и составили 1190 ТВт·ч (тераватт-часов). Согласно тем же данным, совокупный уровень энергопотребления жилых помещений в Китае составил 1340 ТВт·ч, что на 14 % больше, чем было годом ранее.

Отчёт NEA говорит о стремительном росте источников возобновляемой энергии в стране на фоне миллиардных инвестиций Китая в этом направлении для решения экологических проблем и сокращения зависимости от дорогостоящих видов ископаемого топлива. Однако следует иметь в виду, что на жилые помещения в Китае приходится относительно малая часть всех энергозатрат страны, в сравнении с другими странами. По данным Международного энергетического агентства, в 2020 году лишь 17 % от общего производимого объёма электричества в Китае использовались непосредственно домовладениями. В то время как в Японии на жилые помещения в том же году приходились 29 %, а в США — 39 % от всего объёма вырабатываемой энергии. В Китае основными потребителями по-прежнему являются фабрики и заводы. На производства приходятся 60 % от всего добываемого объёма электроэнергии.

Таким образом, даже если возобновляемые источники и способны обеспечить практически каждый дом в Китае чистой энергией, китайским производителям по-прежнему приходится сжигать огромное количество топлива и как следствие выбрасывать в атмосферу огромные объёмы парниковых газов для поддержания темпов экономического роста.

По мнению аналитиков, после отмены в этом году жёстких антиковидных ограничений в Китае ожидается более бурный экономический рост. А это в свою очередь также указывает на потенциальный рост объёмов вредных выбросов в атмосферу, даже несмотря на то, что ветряная и солнечная энергетика покрывает практически все нужды обычного населения.

Калифорнийский технологический институт сообщил, что сегодня компанией SpaceX в 17:56 мск с площадки SLC-40 на мысе Канаверал (Флорида) будет запущена ракета Falcon 9. В ходе миссии Transporter-6 ракета-носитель выведет в космос ряд полезных нагрузок, включая собранный в Калтехе демонстратор для сбора и передачи солнечной энергии на Землю. Демонстратор поможет проверить работу ряда ключевых элементов будущих орбитальных солнечных электростанций.

Момент установки модуля DOLCE на спутниковое шасси. Источник изображения: Калтех

Проект родился по инициативе филантропа Дональда Брена (Donald Bren), председателя компании Irvine Company и пожизненного члена попечительского совета Калтеха. Из статьи в журнале Popular Science бизнесмен узнал о потенциале космического производства солнечной энергии. Вскоре он пожертвовал значительную сумму на исследования, которая в конечном итоге превысила $100 млн. Первое пожертвование в 2013 году запустило работу над проектом.

Запускаемый сегодня в космос демонстратор Space Solar Power Demonstrator (SSPD) — это аппарат весом 50 кг на спутниковой платформе Momentus Vigoride компании российского бизнесмена Михаила Кокорича (бывшего владельца «Техносилы»). Демонстратор содержит три ключевых элемента для испытания технологий: это блок развёртывания массива панелей на орбите (DOLCE), набор из 22 различных типов фотоэлементов для оценки эффективности каждого (ALBA) и модуль для передачи микроволновой энергии на Землю (MAPLE). Компьютер демонстратора подключён к компьютеру платформы Momentus Vigoride для создания в космосе условий для поставки экспериментов с узлами демонстратора.

Как считают разработчики, ракете потребуется около 10 мин для достижения заданной высоты. Затем предстоит отделение полезной нагрузки и космический аппарат Momentus будет выведен на рабочую орбиту. Первые эксперименты с демонстратором начнутся через несколько недель после этого. Одни будут проведены быстро — буквально за считаные дни, другие потребуют недель и месяцев сбора данных.

Самым быстрым станет опыт с развёртыванием демонстратора массива батарей DOLCE. На демонстраторе будет только каркас прототипа солнечного массива. За этим процессом будут наблюдать камеры и команда на Земле. В перспективе проект SSPD предполагает, что в космосе из квадратных рам будут собираться километровые массивы, а пока всё будет испытано на раме со сторонами 1,8 м.

Когда-нибудь из запускаемого сегодня демонстратора может родиться технология промышленного производства разворачиваемых в космосе массивов солнечных панелей. В космосе нет преград солнечным лучам в виде атмосферы и облаков, а также отсутствует понятие ночи. Солнечную энергию на орбите можно вырабатывать непрерывно, передавая на Землю чистую энергию, что особенно пригодится для тех уголков Земли, где чистую энергетику развить нельзя по природным или экономическим причинам.