Дата публикации: 28.02.2025
Солнечные батареи
могут служить
в 10 раз дольше.
Автор исследования доктор Хашини Перера размещает тестовые образцы в климатической камере. Источник.
Минерал перовскит является, по большей части, оксидом кальция и титана, но имеет различные примеси, представляющие его множеством разновидностей. Из некоторых добывают редкоземельные элементы, а другие стали основным материалом для производства так называемых солнечных батарей. Такое положение вызвано экономической выгодной и лёгкостью реализации с помощью этих панелей систем энергоснабжения, альтернативных традиционным технологиям на основе кремния.
Тем не менее вследствие некоторых недостатков в структуре материала коммерческий потенциал таких изделий досадно ограничен. Загвоздка кроется в постоянной утечке йода, которая постепенно приводит к деградации активных покрытий, вызывая снижение производительности и, как итог, приводя батарею в негодность. Дело в том, что в перовскитном слое есть пустоты, которые могут служить резервуарами для йода и других продуктов распада перовскита, происходящего за счёт контактов с водой и кислородом, а также вследствие периодического нагрева. Чтобы предотвратить потери, в солнечные панели добавляют защитные слои, препятствующие образованию летучих соединений побочных веществ. Так, например, эффективность разработанного в прошлом году специалистами Университета науки и технологий МИСИС самособирающегося монослоя из молекул органической кислоты исчисляется 90% приростом мощности батарей при низком освещении.
Однако новая совместная работа английских исследователей из Университета Суррея, Национальной физической лаборатории и Университета Шеффилда обнаружила способ решить проблему потери йода более кардинально. Также, как их российские коллеги, учёные предлагают улавливать йод, но теперь — с помощью наночастиц оксида алюминия (Al2O3). Оказалось, встраивая их в ячейку солнечной панели, можно резко увеличить срок службы перовскитного покрытия.
Архитектура устройств перовскитовых солнечных панелей, используемых в этом исследовании (слева), и фотография устройства (справа). Источник.
Модифицированные таким образом солнечные батареи команда подвергла чрезвычайно сложным испытаниям. Их целью было воспроизведение реальных условий эксплуатации, в которых господствуют экстремальная жара (65°C) и влажность — как раз то, чего так боится перовскит. Результаты показали, что изделия со встроенными наночастицами Al2O3 сохраняли высокую производительность более двух месяцев (1530 часов) — это в десять раз дольше, чем без модификаций с добавлением оксида алюминия.
«Невероятно приятно видеть, что наш подход оказывает такое влияние. Десять лет назад идея о том, что перовскитные солнечные батареи могут работать так долго в реальных условиях, казалась недостижимой, — делится радостью открытия ведущий автор исследования, аспирант Института передовых технологий при Университете Суррея, доктор Хашини Перера. — Благодаря этим улучшениям мы открываем новые горизонты в области стабильности и производительности, приближая перовскитовую технологию к тому, чтобы она стала основным энергетическим решением».
Первые восторги сменились не менее радостным удивлением: произведённый по итогам испытаний анализ показал, что в присутствии наночастиц Al2O3 перовскит получился более однородным по своей структуре. Эта однородность заключается в уменьшении количества внутренних дефектов этой самой структуры, вследствие чего улучшилась электропроводность перовскита. Мало того, частицы оксида алюминия также сформировали на поверхности активного минерала двумерный защитный слой, выступивший дополнительным барьером от воздействия влаги. Получается, что эта, в общем-то, простая и не дорогая добавка, возвращающая молекулы-потеряшки, делает и сами батареи, и альтернативную энергетику на их основе не только долговечнее, но и доступнее.
«Решая эти распространённые проблемы, с которыми мы сталкиваемся при использовании перовскитных солнечных технологий, наше исследование открывает широкие возможности для более дешёвой, эффективной и доступной солнечной энергии, — заявляет доктор Ималка Джаявардена из Института передовых технологий Суррея. — То, чего мы здесь достигли, — это важный шаг на пути к разработке высокоэффективных солнечных батарей, способных выдерживать реальные условия, что приближает нас к их коммерческому использованию в глобальном масштабе».
С испытаниями влагозащитных свойств обнаружилось, что наночастицы алюминия просто невероятно хороши. Герметичный корпус контейнера с влагозащитным слоем из поли-п-ксилилена — полимера с высокой температурой плавления, устойчивого к растворителям и кислотам, — помещённого между двумя слоями алмазоподобного углерода, пропустил больше влаги, чем испытуемый образец. Вообще описанный сэндвич используется в качестве влагозащитного покрытия в космонавтике, потому в условиях проводимых испытаний при температуре 60°C и относительной влажности 85% такое «космическое» покрытие показало особо низкую влагопроницаемость — всего около 0,004 г/м2 в день. Это действительно превосходные барьерные свойства, однако оксид алюминия превзошёл даже их, причём довольно значительно.
При дальнейшем тестировании сравнивались устройства с различными подходами к решению проблемы распада перовскита. Опыты велись в одних условиях окружающей среды, где температура составляла 65°C при относительной влажности воздуха ∼35%. Многие модифицированные другими веществами устройства продемонстрировали сильную деградацию независимо от варианта активного перовскита — за период тестирования их средняя начальная эффективность преобразования энергии снижается более чем на 67% при среднем времени работы около 160 ил 139 часов в зависимости от перовскита. В то же время добавление Al2O3 даёт положительный эффект, и чем выше производительность самого перовскита, тем больше увеличивает алюминиевая добавка его срок службы.
В статье, опубликованной в журнале EES Solar, авторы делают вывод, что «устройства на основе наночастиц Al2O3, проработавшие более 2100 часов, продемонстрировали превосходную стабильность». Они сохранили эффективность более 68% от первоначального среднего значения при среднем сроке службы 1350 часов, а устройство-победитель увеличило это значение до 1530 часов. То есть метод, обнаруженный командой, не только снижает потери эффективности (32% против 67 у конкурирующих методов), но и заметно повышает срок службы устройств: более чем в 8 раз для солнечной панели среднего уровня эффективности и более чем в 10 раз — для лучшей панели.
Как считает профессор Рави Сильва, директор Института передовых технологий и временный директор Института устойчивого развития Суррея, если человечество действительно, а не только на бумаге, хочет снизить свою зависимость от ископаемого топлива, нам нужно стремиться как можно быстрее достичь нулевого уровня выбросов. И расширение доступа к возобновляемым источникам энергии имеет в этом деле определяющее исход дела значение.
«Подобные прорывы сыграют жизненно важную роль в удовлетворении мирового спроса на энергию и поддержат наш переход к устойчивому будущему, — уверяет профессор, попутно мотивируя студентов, как будущих учёных, решать именно эту задачу: — Недавний анализ, проведённый Конфедерацией британской промышленности, также показывает, что обучение в сфере возобновляемых источников энергии не только улучшает карьерные перспективы, но и может привести к заработной плате выше среднего показателя по стране, усиливая экономические и экологические преимущества инвестиций в чистую энергию».
АРМК, по материалам Университета Суррея.
