Šīs elastīgās saules baterijas tuvina mūs fosilā kurināmā ieraduma atmešanai

Perovskīta foto ilustrācija Fotoattēls pieklājīgi no Oxford PV

• Perovskīta saules baterijas var būt lētākas, vieglākas, energoefektīvākas un vieglāk ražojamas nekā tradicionālais silīcijs
• Tos var novietot uz logiem, neregulāras formas virsmām vai pat uz kustīgiem transportlīdzekļiem un pavērt pilnīgi jaunus saules enerģijas izmantošanas veidus, piemēram, atsāļošanu.
• Lielākais izaicinājums: padarīt tos pietiekami izturīgus

Pagājušā gada decembrī pētnieki laboratorijā Oksfordā, Anglijā, apspīdēja saules lampu uz mazas saules baterijas, tikai apmēram viena centimetra kvadrāta.

Ierīce faktiski bija divas šūnas, kas bija sakrautas viena virs otras. Apakšējais tika izgatavots no tāda veida silīcija, ko izmanto standarta saules paneļos. Bet augšpusē bija perovskīts, materiāls ar kristāla struktūru, kas īpaši prasmīgi pārvērš gaismu elektrībā.

Pāris zondes, kas piestiprinātas tā sauktajai tandēma saules baterijai, mērīja tā veiktspēju. Citi pētnieki Oksfordas PV laboratorijā, 2010. gadā no universitātes izdalītā uzņēmuma, pulcējās aiz plakanā ekrāna monitora, gaidot, kad parādīsies šūnas efektivitātes aprēķins. Kad tas notika, viņi apmainījās ar pieciem. Šūna bija pārveidojusi 28% no gaismas enerģijas elektrībā, kas ir jauns perovskīta uz silīcija ierīces efektivitātes rekords. Neatkarīgs tests to apstiprināja dažas dienas vēlāk, kad mazā šūna tika ievietota lidmašīnā uz Nacionālo atjaunojamās enerģijas laboratoriju (NREL) Golden, Kolorādo.

Oksfordas PV komerciālā izmēra saules baterija (pa kreisi) un viena centimetra kvadrāta versija (pa labi).

Lai gan tirgū varētu dominēt silīcija paneļi (ar aptuveni 95% tirgus daļu), silīcijs nav īpaši labs saules enerģijas materiāls. Tas galvenokārt izmanto gaismu no saules spektra sarkanā un infrasarkanā gala, un tai ir jābūt diezgan biezai un apjomīgai, lai absorbētu un pārveidotu fotonus. Visefektīvākie silīcija saules paneļi tirgū sasniedz mazāk nekā 23% efektivitāti, savukārt teorētiskais maksimums vienam silīcija slānim ir aptuveni 29%.

No otras puses, perovskīts var izmantot vairāk gaismas, kas to sasniedz, un to var noregulēt darbam ar dažādām spektra daļām. Oxford PV ir izvēlējies zilo galu. Apvienoti šūnā, abi materiāli var pārvērst vairāk fotonu elektronos, nekā viens pats.

Oxford PV plāno piegādāt tirgū saules baterijas uz perovskīta un silīcija bāzes līdz nākamā gada beigām, izmantojot Vācijas rūpnīcu, ko tas 2016. gadā iegādājās no Bosch Solar. Abi materiāli tiks piegādāti iepakojumā, kas citādi izskatās, tiek piegādāts un uzstādīts tāpat kā standarta saules panelis, kas ir sava veida pussolis, kas, pēc uzņēmuma domām, atvieglos šīs tehnoloģijas ieviešanu tirgū.

Oxford PV ražotne Vācijā. Oksfordas PV

Tie ir tehnoloģiju traucējumi bez uzņēmējdarbības traucējumiem, saka Kriss Keiss, Oksfordas PV galvenais tehnoloģiju vadītājs.

Desmitiem jaunuzņēmumu, kas apmēram pirms desmit gadiem bija mēģinājuši aizstāt silīciju, tā vietā bankrotēja vai tika novirzīti uz tirgus nišu. Bet riska kapitālistiem ir ieguldīts desmitiem miljoniem dolāru perovskīta uzņēmumos pēdējos mēnešos, uzsildot to, kas jau sen bija auksts alternatīvo saules enerģijas materiālu tirgus. Tagad jautājums ir par to, vai perovskīti arī izputēs vai beidzot pārspēs silīcija paneļus tirgū.

Ir virkne lietu, kas padara to par potenciāli transformējošu tehnoloģiju, saka Džo Berijs, kurš vada perovskīta pētniecības programmu Nacionālajā atjaunojamās enerģijas laboratorijā. Taču to tehnoloģiju saraksts, kas mēģinājušas konkurēt ar silīciju, ir garš un izcils, tāpēc arī šajā ziņā jābūt pazemīgam.

Saules baterija uz steroīdiem

2000. gadu beigās vairāki labi finansēti jaunuzņēmumi mēģināja komercializēt jaunus un elastīgākus saules enerģijas materiālus, tostarp plānas plēves tehnoloģijas, piemēram, kadmija telurīds un vara indija gallija selenīds (atcerieties Solindru?), kā arī tādas lietas kā organiskās saules baterijas. Solījums bija tāds, ka no šādiem materiāliem izgatavotas šūnas būs daudz lētāk ražotas un tās varētu ražot dažādās formās.

Bet silīcija saules paneļi bija ātri kustīgs mērķis. Efektivitātes līmenis turpināja uzlaboties un cenas strauji kritās, Paldies valdības finansētiem pētniecības pasākumiem, tirgus stimulēšanas politikai un apjomradītiem ietaupījumiem.

Komerciālās fotoelektriskās sistēmas izmaksas (ASV dolāri par līdzstrāvas vatu fiksēta slīpuma sistēmām)

Avots: Nacionālā atjaunojamās enerģijas laboratorija | Diagrammu izveidoja MIT Technology Review

Jo īpaši Ķīna izmantoja agresīvas subsīdijas un stratēģijas, lai paātrinātu ražošanu un eksportu, cenšoties dominēt tirgū. Moduļu piegādes valstī un globālā tirgus daļa pieauga, sākot ar 2000. gadu vidu, izraisot apsūdzības par nelikumīgu izgāšanu, kuras mērķis ir izsist aizjūras konkurentus. No 2010. līdz 2013. gadam komerciālo silīcija paneļu cenas samazinājās par vairāk nekā uz pusi, un alternatīvu tirgus kritās.

Tāpēc mūsdienās, lai attaisnotu milzīgos izdevumus jaunu rūpnīcu, piegādes ķēžu un izplatīšanas kanālu celtniecībai, jebkuram jaunam materiālam ir jābūt labākam būtiskākos veidos: efektīvākam, lētākam ražošanā, daudzpusīgākam, ilgstošākam vai ideālā gadījumā visiem virs.

Perovskīts spīd dažās no šīm kategorijām. Teorētiski viens slānis var sasniegt 33% efektivitāti, savukārt tandēma perovskīta uz silīcija ierīce varētu sasniegt aptuveni 43%. Augsta efektivitāte ir svarīga, jo jūs varat saražot vairāk elektroenerģijas no tāda paša paneļu skaita vai tādu pašu daudzumu ar mazāku platību un zemākām izmaksām.

Arī perovskīta saules moduļu izgatavošanai vismaz galu galā vajadzētu būt lētākai. Silīcija paneļu ražošana ir daudzpakāpju izgatavošanas process tas ietver silīcija attīrīšanu augstā karstumā, pievienojot tam citiem materiāliem un precīzi sagriežot plāksnēs, kas pēc tam ir precīzi jānoformē tīrā telpā, lai izveidotu fotoelementu.

No otras puses, perovskītus var ražot zemā temperatūrā un izmantot šķidrā veidā, lai pārklātu elastīgus materiālus, piemēram, plastmasu, nodrošinot ražošanas procesu no ruļļa uz ruļļa, kas ir līdzīgs laikrakstu drukāšanai.

Pārdodot Bosch plānās kārtiņas ražotni, Oxford PV sagaida, ka līdz nākamā gada beigām varēs masveidā ražot silīcija un perovskīta elementus un iepakot tos kopā standarta izskata paneļos.

Tā ir parasta saules baterija ar steroīdiem, saka Keiss.

Martā Oksfordas PV paziņoja, ka tā ir bijis paaugstināts vairāk nekā 40 miljonus ASV dolāru, lai piedāvātu savus produktus tirgū, tādējādi palielinot kopējo finansējumu un finansējumu līdz aptuveni 100 miljoniem ASV dolāru. Rūpnīca katru gadu atsūknēs 250 megavatu vērtu elementu.

Cits perovskīta jaunuzņēmums Energy Materials arī vēlas izmantot ražošanu no ruļļa uz ruļļa. Tā atrodas Ročesterā, Ņujorkā, un tā izmanto plēves aprīkojumu, kas sākotnēji bija paredzēts Eastman Kodak, lai masveidā ražotu tikai perovskītu saturošus saules paneļus. Pilnā mērogā process maksās uz pusi mazāk nekā tradicionālā saules moduļa izgatavošana, savukārt kapitāla izmaksas būs par vienu pakāpi lētākas, jo silīcijam ir nepieciešamas dārgas, precīzas iekārtas un iekārtas, saka uzņēmuma galvenais tehnoloģiju vadītājs Tomass Tombs.

Swift Solar elastīgā perovskīta saules baterija. Swift Saule

Tā kā perovskīts var būt elastīgs, daļēji caurspīdīgs un viegls, to var izmantot arī vietās, kur smagi, stingri saules paneļi nedarbosies — uz logiem, čīkstošākiem jumtiem, neregulāras formas virsmām vai pat kustīgiem transportlīdzekļiem.

Swift Solar, ar NREL saistīts starta uzņēmums, kas ir paaugstināts pēdējo mēnešu laikā ir gandrīz 7 miljoni USD skatoties uz Perovskīta-perovskīta tandēma saules baterijas, kurās tiek izmantoti divi perovskīta slāņi, katrs noregulēts citai spektra daļai, uz droniem un elektriskajiem transportlīdzekļiem, lai paplašinātu to darbības rādiusu, norāda tās izpilddirektors Džoels Žans. Šāda šūna varētu būt ļoti efektīva, kā arī elastīgāka un vieglāka nekā tā, kurai ir biezs silīcija slānis.

Jaunu saules enerģijas izmantošanas veidu atvēršana

Savā grāmatā Saules pieradināšana, Varuns Sivarams, ReNew Power galvenais tehnoloģiju speciālists, apgalvo, ka jaunas saules tehnoloģijas, piemēram, perovskīti, var būt būtiskas, lai galu galā aizstātu fosilo kurināmo.

Bet kāpēc mums vajadzīga vēl lētāka saules enerģija, ja silīcija paneļi jau ir konkurētspējīgi ar, piemēram, ogļu rūpnīcu?

Viena no lielākajām saules enerģijas problēmām ir tā, ka tad, kad tā ģenerē ievērojamu daļu elektroenerģijas tīklā, nākamā paneļa vai iekārtas papildu vērtība sāk strauji kristies.

Tas ir tāpēc, ka naktī saules enerģijas saimniecības vispār neražo elektroenerģiju, kas nozīmē, ka pārējai sistēmai joprojām ir jāspēj apmierināt kopējais pieprasījums. Savukārt saulainās dienās elektrības var būt vairāk, nekā sistēma spēj patērēt vai uzglabāt. Tas jau notiek reģionos ar lielu saules enerģiju, piemēram, Vācijā, Ķīnā un Kalifornijā.

Tīkla operatoriem regulāri ir jāpiespiež vai jāstimulē saules enerģijas saimniecības samazināt ražošanu, bieži samazinot cenas līdz nullei vai pat zemāk. Tas var samazināt saules enerģijas staciju peļņu, kas novērš ekonomiskos stimulus būvēt vairāk to un turpināt samazināt fosilā kurināmā izmantošanu.

Iekšā papīrs publicēts Nature Energy 2016. gadā, Sivaram un Shayle Kann, tagad privātā kapitāla uzņēmuma Energy Impact Partners rīkotājdirektori, aprēķināja, ka, lai saglabātu ekonomiskos stimulus turpināt būvēt vairāk elektrostaciju, saules enerģijas izstrādes izmaksām būtu jāsamazinās līdz 25 centiem par vatu. . Saskaņā ar informāciju lētāko komerciālo sistēmu kopējās izmaksas ir 1,06 USD par vatu jaunākais NREL ziņojums .

Liela daļa no tā ir saistīta ar apjomīgās aparatūras instalēšanas un elektroinstalācijas augsto cenu. Tāpēc, lai samazinātu cenu, kas, visticamāk, prasīs ne tikai netīri lētas saules baterijas, bet arī vieglas, elastīgas, kuras ir vieglāk izvietot. Perovskīti ir visdaudzsološākais materiāls, lai mūsdienās varētu veikt kaut ko līdzīgu, saka Sivarams.

Lēta saules elektroenerģija varētu arī samazināt izmaksas par tādām lietām kā jūras ūdens atsāļošana, mākslīgie koki, kas var izvilkt oglekļa dioksīdu no atmosfēras, vai elektrolīzes iekārtas, kas var pārvērst enerģijas pārpalikumu ūdeņraža degvielā.

Tas atbloķē visas šīs jaunās lietojumprogrammas, par kurām mēs nekad agrāk nedomājām, saka Sivaram.

Nestabilitātes problēma

Grūtākais jautājums, kas saistīts ar perovskītiem, ir to izturība. Efektivitātes lēcieniem nav lielas nozīmes, ja materiāls kalpo tikai dažus mēnešus vai pat gadus, un līdz šim perovskītiem ir bijusi tendence ātri noārdīties, pakļaujoties ultravioletā starojuma un mitruma iedarbībai.

Tā ir ļoti liela problēma materiālam, kam dažas desmitgades jāpaliek zem saules. Un, ja uzņēmumi izlaiž perovskīta paneļus, kas pārāk ātri sabojājas, tas sabojās materiāla reputāciju, pat ja tie vēlāk izstrādās izturīgākas versijas.

Oksfordas PV darbinieks pārbauda komerciāla izmēra perovskīta-silīcija tandēma saules baterijas. Oksfordas PV

Pagaidām Oksfordas PV tirgus plāns ir atkarīgs no tā, vai tā perovskīta-silīcija elementu var likt darboties un izskatīties pēc standarta silīcija saules paneļa, kas ietver tā iepakošanu stikla korpusā, kas palīdzēs tai kalpot ilgāk.

Taču uzņēmumam bija smagi jāstrādā pie paša materiāla stabilitātes, izmantojot skaitļošanas modelēšanu un ātru skrīningu, lai noteiktu daudzsološas kompozīcijas no aptuveni pusmiljona iespēju. Uzņēmuma perovskītu recepte ir patentēta, bet tā izpilddirektors Frenks Averdungs ​​ir vērienīgs. Mēs esam atrisinājuši uzticamības problēmu, viņš saka. Mēs esam to panākuši, un tāpēc mēs tagad varam pāriet uz ražošanas režīmu.

paslēpties