Тандемные солнечные элементы имеют огромный потенциал. Кредит: NREL
Вид солнечных панелей, установленных на крышах домов и крупных энергетических фермах, стал обычным явлением во многих регионах по всему миру. Даже в серой и дождливой Великобритании солнечная энергия становится основным игроком в производстве электроэнергии.
Этот всплеск солнечной энергии подпитывается двумя ключевыми разработками. Во-первых, ученые, инженеры и те, кто работает в промышленности, учатся производить солнечные панели миллиардами. Каждый этап производства тщательно оптимизирован, чтобы производить их очень дешево. Вторым и самым важным является неуклонный рост эффективности преобразования энергии панелями — меры того, сколько солнечного света может быть преобразовано в электричество.
Чем выше эффективность солнечных панелей, тем дешевле электричество. Это может заставить вас задуматься: насколько эффективной может стать солнечная энергия? И снизит ли это наши счета за электроэнергию?
Текущие коммерчески доступные солнечные панели преобразуют около 20-22% солнечного света в электроэнергию. Однако новое исследование, опубликованное в Nature, показало, что будущие солнечные панели могут достичь эффективности до 34% за счет использования новой технологии, называемой тандемными солнечными элементами. Исследование демонстрирует рекордную эффективность преобразования энергии для тандемных солнечных элементов.
Что такое тандемные солнечные элементы?
Традиционные солнечные элементы изготавливаются с использованием одного материала для поглощения солнечного света. В настоящее время почти все солнечные панели изготавливаются из кремния — того же материала, что и в основе микрочипов. Хотя кремний является зрелым и надежным материалом, его эффективность ограничена примерно 29%.
Чтобы преодолеть этот предел, ученые обратились к тандемным солнечным элементам, которые накладывают друг на друга два солнечных материала, чтобы улавливать больше солнечной энергии.
В новой статье Nature группа исследователей из энергетического гиганта LONGi сообщила о новом тандемном солнечном элементе, который объединяет кремний и перовскитные материалы. Благодаря улучшенному сбору солнечного света новый тандем перовскит-кремний достиг мирового рекорда эффективности в 33,89%.
Перовскитные солнечные материалы, которые были открыты менее двух десятилетий назад, стали идеальным дополнением к устоявшейся кремниевой технологии. Секрет кроется в их способности настраивать поглощение света. Перовскитные материалы могут улавливать высокоэнергетический синий свет более эффективно, чем кремний.
Таким образом, избегаются потери энергии и общая эффективность тандема увеличивается. Другие материалы, называемые полупроводниками III-V, также использовались в тандемных ячейках и достигли более высокой эффективности. Проблема в том, что их трудно производить и они дороги, поэтому только небольшие солнечные ячейки могут быть сделаны в сочетании с сфокусированным светом.
Научное сообщество вкладывает огромные усилия в перовскитные солнечные элементы. Они сохранили феноменальный темп разработки с эффективностью (для одной ячейки в лаборатории) с 14% до 26% всего за 10 лет. Такие достижения позволили интегрировать их в сверхвысокоэффективные тандемные солнечные элементы, продемонстрировав путь к масштабированию фотоэлектрической технологии до триллионов ватт, необходимых миру для декарбонизации нашего производства энергии.
Стоимость солнечной электроэнергии
Новые рекордные тандемные элементы могут улавливать дополнительно 60% солнечной энергии. Это означает, что для производства той же энергии требуется меньше панелей, что снижает затраты на установку и площадь земли (или крыши), необходимую для солнечных ферм.
Это также означает, что операторы электростанций будут генерировать солнечную энергию с большей прибылью. Однако из-за того, как устанавливаются цены на электроэнергию в Великобритании, потребители могут никогда не заметить разницы в своих счетах за электроэнергию. Реальная разница возникает, когда вы рассматриваете солнечные установки на крыше, где площадь ограничена и пространство должно использоваться эффективно.
Цена солнечной энергии на крыше рассчитывается на основе двух ключевых показателей. Во-первых, общая стоимость установки солнечных панелей на крыше, а во-вторых, сколько электроэнергии они будут генерировать за 25 лет эксплуатации. Хотя стоимость установки легко узнать, доходы от производства солнечной электроэнергии дома немного более нюансированы. Вы можете сэкономить деньги, используя меньше энергии из сети, особенно в периоды, когда это дорого, и вы также можете продать часть излишков электроэнергии обратно в сеть.
Однако операторы сетей будут платить вам очень небольшую цену за это электричество, поэтому иногда лучше использовать аккумулятор и хранить энергию, чтобы вы могли использовать ее ночью. Используя средние показатели для типичного британского домохозяйства, я подсчитал, какую экономию получат потребители от солнечной электроэнергии на крыше в зависимости от эффективности панелей.
Если мы сможем повысить эффективность панелей с 22% до 34% без увеличения стоимости установки, экономия на счетах за электроэнергию вырастет с £558ְ/год до £709/год. 20%-ный рост экономии денег, который сделает солнечные крыши чрезвычайно привлекательными даже в серой и пасмурной Британии.
Так когда же мы сможем купить эти новые солнечные панели?
По мере продолжения исследований прилагаются значительные усилия для масштабирования этой технологии и обеспечения ее долгосрочной долговечности. Рекордные тандемные ячейки производятся в лабораториях и по размеру меньше почтовой марки. Перенесение такой высокой производительности на квадратные метры остается сложной задачей.
Тем не менее, мы добиваемся прогресса. Ранее в этом месяце Oxford PV, производитель солнечных батарей, находящийся на переднем крае перовскитной технологии, объявил о первой продаже своих недавно разработанных тандемных солнечных панелей. Они успешно справились с проблемами интеграции двух солнечных материалов и создания прочных и надежных панелей. Хотя они все еще далеки от эффективности в 34%, их работа показывает многообещающий путь для солнечных элементов следующего поколения.
Другим соображением является устойчивость материалов, используемых в тандемных солнечных панелях. Извлечение и переработка некоторых минералов в солнечных панелях может быть чрезвычайно энергоемким. Помимо кремния, перовскитные солнечные элементы требуют в качестве компонентов свинец, углерод, йод и бром для правильной работы. Соединение перовскита и кремния также требует дефицитных материалов, содержащих элемент под названием индий, поэтому для решения этих трудностей еще предстоит провести множество исследований.
Несмотря на трудности, научное и промышленное сообщество по-прежнему привержено разработке тандемных солнечных устройств, которые можно было бы интегрировать практически во что угодно: автомобили, здания и самолеты.
Последние разработки в направлении высокоэффективных тандемных ячеек перовскит-кремний указывают на светлое будущее солнечной энергетики, гарантируя, что солнечная энергетика продолжит играть более заметную роль в глобальном переходе к возобновляемым источникам энергии.
Дополнительная информация: Цзян Лю и др., Тандемные солнечные ячейки перовскит-кремний с пассивацией двухслойного интерфейса, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07997-7
Информация журнала: Nature Предоставлено The Conversation
