Что касается элементов, то кремний занимает второе место после кислорода, когда дело доходит до изобилия на Земле. Из-за этого и его свойств как полупроводника это долго было основой электроники. Материал есть во всем, от компьютерных чипов до радио. В конце концов, это тезка центра современной технологии в Калифорнии, Силиконовая долина.
Говоря о солнечной столице технологий, кремний является основным элементом, используемым в солнечных панелях. Три учёных из нью-джерси Bell Telephone Company запатентовали самый первый кремниевый солнечный элемент - первый солнечный элемент, который считается практичным, с его способностью преобразовывать 6 процентов входящего света в полезное электричество - в 1950-х годах. С тех пор материал доминирует на солнечном рынке. Сегодня более 90 процентов панелей, производимых по всему миру, являются фотоэлектрическими панелями из кристаллического кремния.
Кремний заработал так много статуса и влияния на рынок, с небольшой конкуренцией в солнечном пространстве, что мало кто знает, что есть другие варианты для солнечной энергии.
Перовскиты, или кристаллические структуры, представляют собой новый тип солнечных элементов, состоящих из обычных элементов, таких как метиламмоний йодид свинца. Перовскиты проще в изготовлении, и они могут преобразовывать солнечный свет в электричество с большей скоростью, чем кремниевые элементы. Проблема в том, что перовскиты чрезвычайно хрупки.
Ученые из Стэнфордского университета, однако, получают подсказку от природы. Чтобы сделать перовскиты более долговечными, они обратились к упругой структуре глаза мухи.
Сложный глаз мухи состоит из сотен гексагональных сегментированных глаз, каждый из которых защищен органическим белковым «каркасом» для защиты. Глаза организованы в виде сот, и когда один из них не работает, другие все еще функционируют. Весь орган демонстрирует избыточность и долговечность, которые исследователи надеются воссоздать в солнечных панелях.
Исследователи поместили леса, заполненные перовскитом, через испытание на разрушение. (Dauskardt Lab / Стэнфордский университет) Райнхольд Даускардт и его группа по материаловедению создали ячеистые леса размером всего 500 микрон из стандартного фоторезиста или светочувствительного материала. Чтобы заимствовать другой пример из природы, подобно тому, как пчела создает соты, а затем наполняет их медом, ученые строят эту защитную структуру, а затем создают внутри нее перовскит. Они вращают раствор элементов в строительных лесах, добавляют тепло и наблюдают, как он кристаллизуется для достижения структуры перовскита и его фотоэлектрических свойств. Затем ученые покрывают солнечный элемент серебряным электродом, чтобы запечатать его и его способность захватывать энергию.
В предварительном лабораторном тесте солнечные элементы Dauskardt, которые имеют ширину примерно в шесть прядей волос, сохранили свою структуру и функциональность. При воздействии высоких температур и влажности (185 градусов по Фаренгейту и 85 процентов относительной влажности) в течение шести недель клетки продолжали вырабатывать электроэнергию на постоянном уровне. Леса вокруг перовскитов также не отпугивали от их электрической мощности.
Это игровое достижение. До этого нововведения исследователям было очень трудно манипулировать и создавать фотоэлектрические ячейки перовскита, не говоря уже о том, чтобы они выживали в окружающей среде.
«Когда я говорил о начале использования фотоэлектрических технологий, я говорил:« Если вы будете дышать этими материалами, они потерпят неудачу ». В случае перовскитов я говорю «если вы посмотрите на них, они потерпят неудачу», - шутит Даускардт, главный исследователь нового исследования, опубликованного в журнале Energy and Environment Science .
Перовскиты могут быть в 100 раз более хрупкими, чем стекло. Но с помощью лесов, используемых для его закалки, механическая прочность ячейки увеличивается в 30 раз. Она добавляет клетке как химическую, так и механическую устойчивость, так что исследователи могут прикоснуться к ней без разрушения и подвергнуть ее воздействию высоких температур с меньшей вероятностью ухудшение.
При освещении снизу гексагональные каркасы видны в областях солнечного элемента, покрытых серебряным электродом. (Dauskardt Lab / Стэнфордский университет) Исследователи из Токийского университета впервые исследовали фотовольтаическую батарею на основе перовскита в качестве альтернативы кремниевой фотоэлектрической батарее в 2009 году, и исследователи всего мира прыгнули в поле. Перовскитовые солнечные элементы, безусловно, имеют свои преимущества. В отличие от кремниевых элементов, для очистки и кристаллизации которых требуется высокотемпературная обработка, солнечные элементы на основе перовскита относительно просты в изготовлении.
«Это прорыв в одной из областей исследований перовскита, потому что он решает проблемы, с которыми сталкиваются концепции на ранних стадиях на пути к коммерциализации», - говорит Дик Ко, директор по операциям и связям с общественностью в Аргонн-Северо-Западном центре исследований солнечной энергии (ANSER). Тем не менее, он признает, что разработка не универсально применима ко всем исследованиям перовскитных солнечных элементов. Существует множество способов изготовления перовскитовых солнечных элементов, и каждая лаборатория имеет свою направленность.
Поскольку кристаллические структуры могут быть изготовлены из различных элементов, существует также много эстетических возможностей. Солнечные элементы могут быть встроены в окна, автомобильные крыши или другие поверхности, подверженные воздействию света. Некоторые компании даже печатают клетки.
Со подозревает, что солнечные элементы на основе перовскита будут первоначально влиять на нишевые рынки
«Я видел, как их продают на зарядных устройствах для iPad, интегрируют в здания и, возможно, на автомобилях, таких как изогнутый капот автомобиля», - говорит он. «Но сложно представить, чтобы [прототип] перовскитного солнечного элемента размером с миниатюру был большим и широко развернутым, особенно когда кремниевые солнечные заводы выкачивают достаточно модулей, чтобы покрыть небольшие страны».
Тем не менее, с улучшением эффективности и долговечности, исследователи находятся на пути к созданию ячейки, готовой к производству электроэнергии во многих средах. Исследователи подали заявку на предварительный патент.
В новом солнечном элементе шестиугольный каркас (серый) используется для разделения перовскита (черный) на микроэлементы для обеспечения механической и химической стабильности. (Dauskardt Lab / Стэнфордский университет) В тесте Dauskardt ячейки достигли 15-процентного показателя эффективности, что намного выше, чем в первом тесте в 2009 году, который преобразовал 4 процента света в электричество. Показатели эффективности кремниевых панелей составляют около 25 процентов, а в лаборатории перовскиты достигли более 20 процентов. Исследователи оценили теоретическую эффективность фотоэлектрических перовскитов примерно в 30 процентов.
Даускардт считает, что его команда может улучшить эшафот, изначально построенный из дешевых, легко доступных материалов, для повышения эффективности ячейки.
«Мы были так удивлены, что смогли сделать так легко, как могли. Теперь вопрос в том, есть ли лучшие строительные леса, которые мы можем использовать? Как мы можем вернуть свет, который упадет на стену эшафота? »- говорит Даускардт. Он и его коллеги планируют экспериментировать с материалами, рассеивающими свет.
Обладая потенциалом для дешевого производства, относительно быстрой коммерциализацией (оценки Dauskardt в течение следующих трех-пяти лет) и удивительно разнообразными применениями, солнечный элемент на основе перовскита может стать просто отличным дополнением к следующей солнечной панели 2020-х годов и последующих лет.
Поэтому, когда эта муха гудит в вашем ухе, будьте уверены, что природа во всех ее проявлениях вдохновляет.
