В солнечной энергетике уже десятилетиями существует свой «вечный преемник» — перовскит. Этот класс материалов годами обещает удешевить солнечные панели в разы, но каждый раз натыкается на одно и то же препятствие: великолепные лабораторные образцы размером с почтовую марку стремительно теряют эффективность, как только их пытаются увеличить до размеров настоящей панели, а под реальным солнцем быстро деградируют. Китайские исследователи, похоже, сделали самый убедительный на сегодняшний день шаг к решению обеих проблем — и впервые продемонстрировали перовскитные панели, которые в полевых условиях реально вырабатывают больше электроэнергии, чем соседние кремниевые.
Рекорд, который имеет значение
Команда Сяо Кэ и Хайжена Тана из Нанкинского университета совместно с инженерами компании Renshine опубликовала 12 августа в журнале Nature результаты, среди которых — новый мировой рекорд эффективности для полноразмерных перовскитных панелей: 22% на модуле площадью 0,72 квадратного метра с выходной мощностью 158,4 ватта. Важно, что речь идет о чистом перовските, а не о модных тандемных конструкциях «перовскит на кремнии»: это самостоятельная технология, которая потенциально может вообще обойтись без кремниевого производства с его дорогостоящими печами и сверхчистыми материалами.
Цифра 22 % сама по себе не является рекордной для солнечной энергетики — серийный кремний демонстрирует столько же или чуть больше. Сенсация в другом: до сих пор полноразмерный перовскит до таких показателей просто не дотягивал, теряя на пути от лабораторного образца до панели значительную часть эффективности. Для сравнения: предыдущий результат этой же команды на больших пленках составлял 17,2%.
Химия победы
Ключом к прорыву стало изменение «рецепта». Исследователи подобрали новую комбинацию из трёх растворителей — 2-метоксиэтанола, 1,3-диоксолана и диметилсульфоксида, — благодаря которой защитный слой йодида формамидиния естественным образом накапливается на поверхности кристаллов во время формирования пленки. А окончательную обработку поверхности провели с помощью органических карбоксилатов свинца, которые равномерно покрывают большой лист без инертной атмосферы.
Это прямой ответ на недостатки стандартного подхода с использованием аммониевых солей: он требовал дорогостоящего оборудования с защитным газом, неравномерно распределялся по большим площадям и, что хуже всего, разрушался под ярким солнцем. Насколько новое решение лучше, показали стресс-тесты. В камере с температурой 85 °C и влажностью 85 % в течение 1300 часов панели со старым покрытием потеряли 39 % мощности, с новым — всего 2 %. Кроме того, модули выдержали 300 быстрых термоциклов от −40 °C до +85 °C без измеримых потерь — это уже уровень требований к серийной продукции, а не к лабораторной игрушке.
Главное доказательство — в поле
Но самая убедительная часть работы — это не камеры и не сертификаты, а обычное поле. Исследователи установили рядом мегаватт перовскитных панелей и 3,5 мегаватта современных кремниевых TOPCon — и три месяца просто сравнивали выработку. Результат: в марте перовскит выдал на 3,42% больше энергии, в апреле — на 3,79%, в мае — на 5,81%. Показательно, что преимущество увеличивалось вместе с температурой: перовскит значительно меньше, чем кремний, теряет эффективность в жару — а именно в жаркие солнечные дни панели и должны зарабатывать больше всего.
Аргумент о стоимости никуда не делся: перовскитные пленки можно фактически печатать из жидких «чернил» при низких температурах, тогда как кремний требует энергоемкой очистки и высокотемпературных процессов. Если технологию удастся довести до серийного производства, солнечная генерация может заметно подешеветь — и именно поэтому за перовскитом охотятся все крупные игроки отрасли.
Для Украины, кстати, эта технологическая гонка имеет вполне практическое значение: домашние солнечные станции стали массовым явлением после многих лет отключений электроэнергии, и каждый процент КПД или сэкономленный доллар на ватт мощности напрямую влияет на окупаемость таких систем. Если перовскит действительно удешевит панели, следующая волна украинских крышных СЭС может оказаться значительно более доступной, чем нынешняя.
Что дальше
Конкретных планов по коммерциализации или сроков выхода на рынок авторы не называют, а долгосрочная стабильность перовскита — годы, а не месяцы работы — по-прежнему остается открытым вопросом, как и экологические опасения, связанные с содержанием свинца. Но направление движения очевидно: от образцов-марок к полноразмерным панелям, от лабораторий к мегаваттным полевым массивам, от «когда-нибудь потом» к сравнительным графикам выработки рядом с серийным кремнием. «Вечный преемник» впервые выглядит как реальный претендент на трон — и показательно, что решающий шаг вновь сделан в Китае, который и так контролирует львиную долю мирового производства солнечных панелей.
Напомним, что недавно мы подробно разбирали масштабы китайских амбиций в области солнечной энергетики: ранее мы писали о «Великой солнечной стене» — 400-километровой полосе панелей в пустыне Кубучи мощностью 100 ГВт, которая должна снабжать энергией Пекин и одновременно сдерживать наступление песков.
