Николай Кузнецов,
ученик 7 класса ГБОУ г. Москвы «Школа № 179», член Клуба юных геологов Межвузовского академического центра навигации по специальностям горно геологического профиля ГГМ РАН
Данная статья посвящена необычному минералу перовскиту, уникальные свойства которого являются ключом для прорыва в самой перспективной области возобновляемой энергетики – получении электрической энергии с помощью солнечных батарей.
В 2019 году я занимался тщательным изучением научных статей и обзоров о перовските и свойствах этого минерала, который используется при изготовлении солнечных батарей. Тема очень заинтересовала меня, и далее я расскажу вам почему. Но, забегая вперед, скажу, что сегодня на дворе 2021 год и за эти 2 года прорыв в области солнечных батарей на основе перовскита продолжился, поэтому речь также пойдет о том, что произошло за последние 2 года в научной среде и почему это так важно.
Итак, в чем уникальность перовскита (титанат кальция, химическая формула – CaTiO3). Перовскит привлек внимание ученых своей необычной кристаллической структурой в виде неправильного куба, характерной для различных соединений с полупроводниковыми свойствами. Поэтому начиная с 2009 года перовскит начали изучать в качестве перспективного материала для солнечных панелей.
Перовскит обладает «практически идеальной структурой». Грани перовскита ведут себя как миллиарды крошечных солнечных ячеек, связанных между собой. Но грани минерала неоднородны, присутствуют как идеальные, так и с дефектами. Идеальные грани способны превращать световую энергию в электрическую с эффективностью 31 %. Это очень хороший показатель. Такого показателя физики смогли достичь по кремнию только в самом сложном кремниевом преобразователе в лаборатории, и на это ушли десятки лет. К тому же кремниевые солнечные батареи для устранения дефектов кристаллической решетки нагревают до температур свыше 1000˚С и при этом затрачивают много энергии на плавку. Перовскит обрабатывается при гораздо меньших температурах – около 300˚С.
В целом производительность кремниевых солнечных батарей, которые уже сейчас применяются по всему миру, составляет 20-22 %, а по перовскиту коэффициент полезного действия (КПД) продолжил рост за 9 лет лабораторных исследований до 23,3 %.
Однако у перовскита есть ряд существенных недостатков по сравнению с кремнием. Во-первых, перовскит не устойчив по своим характеристикам. Под воздействием фотонов атомы между слоями начинают «путешествовать», из-за чего в структуре возникают дефекты и КПД со временем снижается. Во-вторых, перовскит подвержен влиянию тепла и влаги. Иными словами, со временем происходит химическая и физическая деградация свойств и снижается эффективность. В-третьих, для обеспечения безопасности солнечных батарей необходима надежная герметизация перовскитовых солнечных элементов, чтобы не допустить утечки содержащегося в них свинца. В-четвертых, необходимо добиться увеличения размеров солнечных батарей, т.к. образцы с самым высоким КПД имеют размеры всего лишь 1 см².
Перовскит с диопсидом. Россия, Мурманская область, городской округ Полярные Зори, массив Африканда
В итоге вместо соперничества кремния и перовскита ученые начали проводить эксперименты с сочетанием двух этим материалов. При попытках соединить кремний с перовскитом КПД солнечных батарей удалось повысить в 2019 году до рекордных 25,2 %.
А в конце 2020 года немецкие ученые сообщили, что тандем этих материалов продемонстрировал эффективность преобразования солнечного света в электричество на уровне 29,15 % при теоретическом пределе КПД для таких элементов 35 %.
Почему удалось достичь такого эффекта? Использование гибридных элементов позволяет увеличить эффективность поглощения солнечного света: перовскит лучше поглощает в синей и зеленой частях спектра, а кремний – в красной и инфракрасной.
Что еще интересно, так это то, что панели на основе кремния производят только в жестком виде, а панели, в которых тончайшими слоями наносится перовскит, можно делать гибкими, по типу пленки. Это уже нанотехнологии. Преимущества невероятны. Можно наносить пленку на стекло, фасады зданий, сооружений, на неровные поверхности. Также изобретен спрей, который превращает любую поверхность в фотоэлемент – это, наверное, самый удивительный будущий мир, связанный с применением перовскита. Достаточно нанести тонкую пленку на крышу дома или машины, или спутник в космосе, и новая солнечная батарея начнет вырабатывать электрическую энергию.
Если говорить о запасах перовскита на Земле, то недостатка в нем не будет, т.к. для изготовления солнечных батарей применяют искусственный аналог минерала. Поэтому основной вызов нашего времени заключается в необходимости достижения высокоскоростного преобразования солнечного света в электрический ток с устойчивыми характеристиками и по приемлемой цене. Всех интересует получение дешевого электричества из возобновляемых источников энергии. Особенно это актуально для тех территорий, где нет газа, угля и гидроэлектростанций.
По всему миру более 10 000 ученых занимаются вопросами применения перовскита в солнечных батареях, это одно из самых актуальных направлений материаловедения. В Российской федерации этому вопросу уделяют тоже серьезное внимание, эксперименты проводятся в МИСиС, МГУ и Сколоково.
Почему это важно? Перовскит является эффективным преобразователем световой энергии в электрический ток. Вклад солнечной энергетики в производство электроэнергии в мире составляет порядка 2,6 %, но может произойти революция, и тогда доля возобновляемой солнечной энергии будет расти. Солнечная энергетика является «экологически чистой» и не производит отходов в процессе использования.
Это интересно. Как работает солнечная батарея:
При нагревании фотоэлемента (верхней пластины солнечной батареи) электроны из атома перовскита высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. По законам физики электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Поэтому с нижней пластины электроны двигаются по соединительным проводам, отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов, и возвращаются в верхнюю пластину.
Принцип работы солнечной батареи Кара
Источники
1. http://webmineral.ru/minerals/item.php?id=2164.
2. http://www.catalogmineralov.ru/mineral/perovskite.html.
3. https://hightech.fm/2018/01/08/2017-perovskite.
4. https://hightech.fm/2016/06/22/perovskite-2.
5. https://hightech.fm/2016/05/27/semi-transparent-perovskite.
6. https://hightech.fm/2018/09/29/solar-cells-3.
7. https://hightech.fm/2018/02/01/perovskite_solar_cells.
8. https://hightech.fm/2021/05/29/new-batteries-effective.
9. https://hightech.fm/2021/02/22/new-perovskite.
10. http://geo.web.ru/druza/m-perovsk_0.htm.
11. https://nplus1.ru/news/2018/06/13/perovskite-silicon-solar-cells.
12. https://ria.ru/20180110/1512314106.html.
13. http://spkurdyumov.ru/uploads//2015/08/luchshe-kremniya.pdf.
14. http://rareearth.ru/ru/news/20160622/02255.html.
