Новые солнечные элементы устроили революцию в альтернативной энергетике — Российская газета

Принципиально новый солнечный элемент, созданный в лаборатории НИТУ «МИСиС» под руководством приглашенного профессора из Университета Техаса Анвара Захидова, будет стоить в три раза дешевле лучших аналогов из кремния. А при массовом производстве разница станет 4-6-кратной. Это сулит настоящий прорыв в солнечной энергетике.

Впрочем, уже сегодня она бурно развивается, а планы вообще грандиозные. Так, Европа намерена к 2020 году довести вклад Солнца в общий объем электропотребления до 25 процентов, а к 2040 году до 40 процентов. Не менее амбициозные планы и у США: к 2020 году выработка солнечной электроэнергии в стране должна составлять 25 процентов.

Словом, ведущие страны делают ставку на Солнце. Правда, с одной оговоркой: пока она нуждается в серьезной подпорке государства. Ей предоставляются самые льготные условия для интенсивного развития.

Впрочем, высокая цена по сравнению с традиционными источниками энергии не единственный минус солнечного ватта. Само получение кремния, из которого изготавливаются солнечные батареи, создает массу проблем. Оно токсично, дорого, требует много энергии. Более того, такими батареями неудобно пользоваться: они жесткие, тяжелые и хрупкие, для установки нужны специальные прибамбасы. Словом, с ними много возни. Совсем другое дело — батарея гибкая. Ее можно раскатать как рулон на любой изогнутой поверхности. Что сразу расширяет сферы применения. Именно такие солнечные элементы впервые в России созданы учеными и инженерами МИСиС.

— В них вообще нет кремния, что и позволило придать батарее необходимую гибкость, — объясняет сотрудник лаборатории Данила Саранин. — Это тандем из материала, который называется перовскит, и полупроводниковых полимеров. В отличие от дорогого кремния перовскит стоит копейки. Но главное преимущество такого тандема даже не в этом. Технология изготовления батареи из кремния очень сложна, для нее требуются глубокий вакуум и дорогостоящее оборудование. А наш метод намного проще и дешевле. Фактически солнечные элементы можно печатать на простых устройствах.

Старт перовскитной электронике дали японцы, которые впервые создали солнечный тандем с КПД 3,9 процента. В мире сразу же оценили перспективы, в гонку включилось множество ведущих зарубежных лабораторий, и сейчас КПД уже достиг 21,3 процента. Но если для кремния эта цифра почти близка к пределу его возможностей, преодолеть который не позволяют законы физики, то солнечный тандем способен на большее. Дело в том, что кремний собирает только небольшую часть видимого солнечного спектра, а тандем практически весь. Здесь и лежат перспективы роста.

— Кроме того, мы намерены еще больше повысить КПД за счет своего другого ноу-хау, — говорит Саранин. — Если совсем просто, то суть в следующем. Наш элемент состоит из восьми слоев, то есть похож на сэндвич. Зачем столько? Свет не сразу превращается в электрический ток, для этого ему требуется пройти несколько каскадов преобразований. Так вот наши конкуренты соединяют все эти слои последовательно, плюс к минусу. Мы предложили иной вариант — соединять параллельно, плюс к плюсу, минус к минусу. Как показали эксперименты, это позволяет существенно поднять КПД.

Сейчас ученые тестируют полученный солнечный элемент, а уже в будущем году намерены приступить к его промышленным испытаниям.

Инфографика РГ/Антон Переплетчиков/Михаил Шипов/Юрий Медведев

Новые технологии в производстве солнечных батарей. Будущее уже тут.

В этой статье мы расскажем о новых видах солнечных батарей и новейших технологиях производства фотоэлементов, предлагаемых ведущими производителями. Также перечислим некоторые наиболее популярные панели, с использованием этих инноваций, которые уже доступны к продаже.

Солнечные батареи с использованием новейших инноваций

Большинство производителей панелей предлагают ряд моделей, это могут быть монокристаллические и поликристаллические варианты продукции с различной номинальной мощностью. За последние несколько лет эффективность солнечных панелей существенно возросла благодаря многим достижениям в технологии производства фотоэлементов.

На текущий момент можно отметить 8 основных технологий, при производстве высокоэффективных солнечных батарей:

• PERC (Passivated Emitter Rear Cell) — диэлектрический слой на обратной стороне ячейки;
• Bifacial — Двухсторонние;
• Multi Busbar — Многолинейные;
• Split panels – Половинчатые;
• Dual Glass — Безрамочные, с двойным стеклом;
• Shingled Cells — Безразрывные элементы;
• IBC (Interdigitated Back Contact cells) — переплетеные контакты сзади ячейки;
• HJT (Heterojunction cells) — гетероструктурные ячейки.

Пять основных типов солнечных панелей с использованием новейших технологий солнечных фотоэлементов в 2019 году:

Применяя инновационные решения, в производстве солнечных модулей, постоянно происходят различные улучшения эффективности, уменьшения влияния затенения и повышения надежности, при этом несколько производителей в настоящее время дают гарантию производительности до 30 лет. Учитывая все новые доступные варианты выбора, стоит провести некоторые исследования, прежде чем инвестировать в солнечную установку. В нашей полной обзорной статье о солнечных панелях мы расскажем, как выбрать надежную солнечную панель и на что обратить внимание.

Технология PERC, в чем особенность?

Профессор Мартин Грин, директор Австралийского центра передовой фотогальваники UNSW, изобрел концепцию PERC, которая в настоящее время широко используется многими ведущими производителями солнечных батарей во всем мире.

За последние два года PERC стал предпочтительной технологией для многих производителей как моно, так и поликристаллических ячеек. PERC буквально расшифровывается как «Пассивированный Эммитер Сзади Ячейки». Представляет собой более продвинутую архитектуру ячейки, использующую дополнительные слои на задней стороне ячейки для поглощения большего количества световых фотонов и увеличения «квантовой эффективности». Особенностью технологии PERC является алюминиевый задний слой Al-BSF — Local Aluminium Back Surface Field (см. Диаграмму ниже). Еще были разработаны несколько других вариантов, таких как PERT (Passivated Emitter Rear Totally Diffused) и PERL (Passivated Emitter and Rear Locally-diffused), но они пока не получили широкого применения.

LeTID — потенциальная проблема PERC

Обычные клетки PERC P-типа могут страдать от так называемого LeTID или деградации, вызванной светом и повышенной температурой. Явление LeTID похоже на хорошо известную деградацию, вызванную LID или светом, когда панель может потерять 2-3% от номинальной мощности в первый год воздействия УФ-излучения и от 0,5% до 0,8% в год после. К сожалению, потери из-за LeTID могут быть выше — до 6% в первые 2 года. Если эта потеря не будет полностью учтена производителем, это может привести к снижению производительности и потенциальным претензиям по гарантии.

К счастью, кремниевые элементы N-типа, не страдают от воздействия LeTID. Кроме того, некоторые производители поли и моно PERC ячееек P-типа, разработали процессы уменьшения или устранения LeTID. Некоторые производители заявили о применении технологии анти-LeTID на своей продукции и утверждают, что уменьшили или устранили эффекты LeTID.

Multi Busbar — Многолинейные солнечные элементы

Busbar или токоведущие шины представляют собой тонкие провода или ленты, которые проходят по каждой ячейке и переносят электроны (ток) от солнечных элементов. Поскольку фотоэлементы становятся более эффективными, они, в свою очередь, генерируют больше тока, и за последние годы большинство производителей перешли с 3 шин на 5 или 6 шин. Некоторые производители, сделали еще один шаг вперед и разработали многопроволочные системы, использующие до 12 очень тонких круглых проводов, а не плоских шин. Выгода заключается в том, что сборные шины фактически затеняют часть ячейки и поэтому могут немного снизить производительность, поэтому их необходимо тщательно проектировать. Несколько тонких шин обеспечивают более низкое сопротивление и более короткий путь перемещения электронов, что приводит к более высокой производительности.

Маленькие дорожки ( тонкие шины) на каждой ячейке передают ток на 5 ленточных шин:

Если в ячейке возникли микротрещины из-за ударов или высоких нагрузок, большее количество шин помогает снизить вероятность того, что трещина перерастет в горячую точку, поскольку они обеспечивают альтернативные пути прохождения тока.

В модулях LG Neon 2 впервые использовались 12 маленьких круглых проводных шин, LG называет свою технологию «Cello», которая означает соединение элементов, с низкими электрические потерями. Многопроволочная технология Cello снижает электрическое сопротивление, тем самым уменьшаются потери напряжения, а уменьшение площади и применение закругленных шин дает лучшее оптическое поглощение света, тем самым повышается эффективность.

Trina Solar вместе со многими другими производителями недавно начали предлагать тонкие круглые шинные ячейки под названием multi-bus (MBB) в качестве опции для ряда модулей на 2019 год. Как объяснялось ранее, еще одним преимуществом наличия большего количества шин является то, что при микротрещинах возникновение в ячейке из-за внешних напряжений, меньше вероятность того, что это создаст горячую точку, так как электроны имеют много альтернативных шин для протекания тока. Это показано на рисунке:

Split panels – Половинчатые солнечные батареи

Еще одно недавнее новшество — использование ячеек с половинным размером вместо квадратных ячеек полного размера и перемещение распределительной коробки в центр модуля. Тем самым разделяя солнечную панель на 2 меньшие панели по 50% площади, каждая из которых работает параллельно. Это имеет множество преимуществ, в том числе повышение производительности благодаря снижению резистивных потерь через шины (токосъемники). Поскольку каждая ячейка имеет половинный размер, она производит половину тока при одном и том же напряжении, что означает, что ширина шины может быть уменьшена наполовину, уменьшая затенение и потери ячейки. Снижение тока также приводит к снижению температуры в ячейке, что, в свою очередь, уменьшает потенциальное образование и серьезность горячих точек из-за локального затенения, загрязнения или повреждения ячейки.

Кроме того, более короткое расстояние до центра панели сверху и снизу повышает эффективность в целом, повышая выходную мощность панели аналогичного размера до 20 Вт. Другое преимущество заключается в том, что при частичном затенении верхней или нижней части панели, затененная часть не влияет на выработку электроэнергии от другой половины солнечной батареи.

Bifacial — Двухсторонние солнечные батареи

Технология двухсторонних солнечных батарей была известна уже нескольких лет, но сейчас начинает становиться популярной, поскольку стоимость производства монокристаллических элементов очень высокого качества продолжает снижаться. Двухсторонние элементы поглощают свет с обеих сторон панели и в таких условиях могут производить до 27% больше энергии, чем традиционные односторонние панели. В двухсторонних солнечных панелях обычно применяют стекло на передней стороне, а сзади, для герметизации ячеек — прозрачный полимерный слой. Он позволяет отраженному свету проникать с задней стороны панели. Двухсторонние модули также могут иметь стеклянный задний слой, который имеет больший срок службы и может значительно снизить риск отказа, поэтому некоторые производители теперь предлагают 30-летнюю гарантию на свою продукцию.

Традиционно двухсторонние солнечные панели использовались только в наземных установках, где солнечный свет легко отражался от окружающих поверхностей, в частности заснеженных районов. Хотя было доказано, что они хорошо работают и при монтаже на светлые поверхности, что позволяет увеличить выработку до 10%.

Двухсторонние модули поглощают отраженный солнечный свет обратной стороной панели:

Dual Glass – Солнечные батареи с двойным стеклом

Многие производители в настоящее время производят так называемые стеклянные или двойные стеклянные солнечные панели, которые не следует путать с двухсторонними. Задний традиционный белый EVA (пластиковый) слой заменяют стеклом. Таким образом получается сэндвич стекло-стекло, которое не реагирует и не портится со временем и не страдает от ультрафиолетового излучения. Из-за более длительного срока службы стеклянных панелей некоторые производители предлагают 30-летнюю гарантию производительности.

Безрамочные солнечные батареи

Многие двойные стеклянные панели являются безрамными (без алюминиевой рамы), что может усложнить монтаж панелей, так как требуются специальные системы креплений. Тем не менее, бескаркасные модули имеют ряд преимуществ, особенно в отношении очистки: отсутствует рама, которая создает ступеньку, об нее задерживается пыль и грязь. Соответственно, без ступеньки получается плоская поверхность, которую проще мыть и способствующая самоочищению с помощью дождя и ветра, что приводит к большей производительности. Однако без прочности алюминиевой рамы двойные стеклянные панели, хотя и более долговечные, не такие жесткие и могут изгибаться, особенно при горизонтальном монтаже.

Умные панели и оптимизаторы мощности

Технология, которая становится все более популярной — это добавление в солнечную панель оптимизаторов мощности постоянного тока. Оптимизаторы наряду с микроинверторами, обычно известны как MLPE (Module Level Power Electronics), которые состоят из небольших блоков преобразования энергии, прикрепленных непосредственно к солнечным батареям. Оптимизаторы предназначены для подачи оптимального напряжения для максимальной выработки электроэнергии. Если панель затенена, загрязнена или не работает, что приводит к низкому напряжению или току, оптимизаторы могут обойти или компенсировать плохую работу панели, чтобы обеспечить оптимальное напряжение для инвертора.

Оптимизаторы мощности от таких компаний, как Tigo и SolarEdge, были доступны в качестве дополнительного компонента в течение многих лет, но теперь и SolarEdge, и Tigo разрабатывают панели со встроенными оптимизаторами в распределительной коробке на задней панели. SolarEdge отличается от Tigo тем, что оптимизаторы SolarEdge должны использоваться вместе с инверторами SolarEdge, а оптимизаторы Tigo могут быть подключены к любым существующим панелям в качестве дополнительного оптимизатора.

Большим преимуществом «дополнительных» оптимизаторов, таких как Tigo и SolarEdge, является возможность контролировать производительность каждой солнечной панели в отдельности, что также может помочь выявить любые неисправности и проблемы в солнечной батарее. Микроинверторы также предлагают это преимущество перед обычными сетевыми инверторами.

Maxim Integrated пошли еще дальше и разработали чипы для оптимизации подмодулей. Эти интеллектуальные чипы от Maxim Integrated выходят за рамки традиционного дополнительного оптимизатора и разделяют панель на 3 ряда ячеек, что позволяет панели работать при оптимальном напряжении MPPT при частичном затенении или загрязнении. Стоит отметить, что некоторые установщики сообщают о том, что клиенты сталкиваются с проблемами помех RFI (ТВ и радио), используя эту новую технологию, однако чипы Maxim следующего поколения, как утверждается, решили проблему.

Shingled Cells — Безразрывные солнечные элементы

Безразрывные ячейки — это новая технология, в которой используются перекрывающиеся узкие ячейки, которые группируются горизонтально или вертикально по всей панели. Безразрывная ячейка изготавливается путем лазерной резки нормального полноразмерного элемента на 5 или 6 полос и наслоения их друг с другом, с использованием специального клея. Небольшое перекрытие каждой полосы ячеек скрывает одну шину, которая соединяет полосы ячеек. Применение такого новшества позволяет покрывать большую площадь поверхности панели, ведь так не требуются располагать соединительные шины поверх элемента, которые частично затеняют ячейку. Таким образом увеличивается эффективность панели так же, как ячейки IBC, описанные ниже.

Другое преимущество состоит в том, что длинные безразрывные ячейки обычно соединяются параллельно, что значительно снижает эффект затенения — каждая длинная ячейка эффективно работает независимо.Кроме того, ячеистые ячейки относительно дешевы в изготовлении, поэтому они могут быть очень экономически эффективным вариантом, особенно если частичное затенение является проблемой.

Seraphim был одним из первых производителей, выпустивших ячейки с гибкой ячейкой с высокопроизводительными панелями Eclipse. Серия SunPower P — это новейшее дополнение к линейке SunPower, предлагающее более дешевый вариант, прежде всего для крупномасштабных станций. Другие производители, производящие безразрывные солнечные панели Yingli Solar и Znshine.

Прочность солнечных ячеек

Наряду с многочисленными усовершенствованиями элементов для повышения эффективности, существуют также новые технологии для повышения надежности и производительности в течение ожидаемого 25-летнего срока службы солнечного модуля. Солнечные панели могут подвергаться экстремальным нагрузкам из-за сильного ветра, вибраций, сильной жары и морозов, вызывающих расширение и сжатие. Это может привести к появлению микротрещин, горячих точек и деградации PID (Potential induced degradation) элементов, что приводит к снижению производительности и ускорению отказа.

Производители, такие как Winaico и LG energy, разработали чрезвычайно прочные алюминиевые рамы, чтобы помочь уменьшить нагрузку на элементы и модули. Win Win Technology, материнская компания Winaico, сделала еще один шаг вперед и разработала так называемую технологию «HeatCap», которая, по сути, представляет собой упрочняющую структуру элемента, которая помогает предотвращать образование микротрещин и горячих точек, когда элементы находятся в условиях экстремальных нагрузок. Эта технология также имеет дополнительное преимущество улучшенной производительности при более высоких температурах ячейки.

Солнечные элементы IBC — высокая прочность и долговечность

IBC не только более эффективны, но и прочность намного выше, чем у обычных элементов, так как задние слои укрепляют весь элемент и помогают предотвратить микротрещины, которые в конечном итоге могут привести к выходу из строя. Sunpower использует высококачественный задний слой IBC из твердой меди на своей запатентованной ячейке Maxeon вместе с высокоотражающей металлической зеркальной поверхностью, чтобы отражать любой свет, который проходит обратно в ячейку. Задняя сторона ячейки IBC Maxeon, показанная ниже, чрезвычайно устойчива к нагрузкам и изгибам, в отличие от обычных ячеек, которые по сравнению с ними относительно хрупкие.

Высокоэффективные солнечные элементы N-типа

В то время как PERC и Bifacial появились в солнечном мире, самой эффективной и надежной технологией по-прежнему остается монокристаллическая ячейка N-типа. В первом типе солнечных элементов, разработанном в 1954 году лабораториями Bell, использовалась кремниевая пластина N-типа, но со временем более экономичный кремний P-типа стал доминирующим типом элементов: в 2017 году более 80% мирового рынка с использованием P-типа клетки. Поскольку большой объем и низкая стоимость являются основным движущим фактором, стоящим за P-типом, ожидается, что N-тип станет более популярным, так как производственные затраты снижаются, а эффективность увеличивается.

Гетероструктурная технология HJT

Технология HJT используется несколькими производителями солнечных батарей. В настоящее время и российская компания Хевел производит серийные панели с использованием гетеропереходных элементов, а так же Panasonic и ряд других компаний. Группа компаний REC недавно анонсировала новые панели серии Alpha, в которых используются ячейки HJC с 16 микро шинами для достижения впечатляющей эффективности в 21,7%. Вслед за первоначальной разработкой HJC, проделанной UNSW и Sanyo, Panasonic создала эффективную серию панелей ‘HIT’ и уже много лет является лидером в технологии ячеек HJT.

Солнечные элементы HJT используют основу из обычного кристаллического кремния с дополнительными тонкопленочными слоями аморфного кремния по обе стороны ячейки, образуя так называемый гетеропереход. В отличие от обычных P-N-соединительных ячеек, многослойные гетеропереходные ячейки могут значительно повысить эффективность. В лабораторных испытаниях достигается эффективность до 26,5% в сочетании с технологией IBC.

В Panasonic разработали ячейку HIT, с использованием высокопроизводительной кремниевой основы N-типа для производства солнечных батарей с КПД более 20,0% и превосходными характеристиками при высоких температурах. Кремниевые элементы N-типа также обеспечивают исключительную долговременную производительность, гарантирующую 90,76% остаточной мощности через 25 лет, что является вторым по величине из доступных после SunPower.

HJT лидер при высоких температурах

Наиболее впечатляющей характеристикой ячеек Panasonic HIT является невероятно низкий температурный коэффициент, который на 40% меньше, чем у обычных поли и монокристаллических ячеек. Выходная мощность панелей приводится при температуре на элементах 25 градусов Цельсия, при стандартных условиях STC (Standard Test Conditions), и каждый градус выше немного снижает выходную мощность.

Температурный коэффициент влияет на снижение мощности при увеличении температуры на солнечных элементах.

В обычных поли и моноэлементах это значение составляет от 0,38% до 0,42% на градус C, что может привести к снижению общей производительности на 20% или более в очень жаркие безветренные дни. Для сравнения, у HIT от Panasonic очень низкий температурный коэффициент 0,26% на градус, что является самым низким показателем среди всех производимых сегодня элементов.

На температуру панели и ячейки также влияют цвет крыши, угол наклона и скорость ветра, поэтому установка плоских панелей на очень темной крыше обычно снижает производительность панели по сравнению с крышами более светлого цвета.

Уникальные панели Panasonic HIT доступны только в Японии и Северной Америке и, к сожалению, в настоящее время недоступны в России, но не стоит расстраиваться на этот счет, ведь стоимость таких панелей пока очень высока и благо существуют альтернативные варианты.

Купить солнечные батареи по новым технологиям, можно у нас в магазине, пройди по ссылке: https://mywatt.ru/solnechnie_batarei/

Энергетическая революция: как солнечные батареи становятся доступнее

Солнечные батареи находятся в центре внимания ученых из разных стран мира не первое десятилетие. По мнению многих специалистов, человечество подошло к порогу революции в области солнечной энергии. Сейчас, помимо привычной кремниевой технологии, в батареях используются перовскиты. Корреспондент «Социального навигатора» поговорил с ведущим мировым специалистом в области фотовольтаики и солнечной энергетики, профессором университета имени Бен-Гуриона в Негеве (Израиль) Евгением Кацем о том, как будут работать солнечные батареи в ближайшем будущем и что ждет человечество в связи с этим.

— Евгений Адольфович, о перовскитах очень много говорят последние несколько лет. Еще в 2016 году предсказывали, что «2017 может стать переломным годом для суперэффективных перовскитных солнечных батарей». Произошла ли революция? И с чем связано такое внимание к перовскитам?

— Революция действительно произошла. Если в 2007 году их эффективность была менее 3%, то сегодня – 24%. Это очень высоко, очень близко к эффективности распространенных сейчас кремниевых солнечных батарей. Но основной интерес связан не с этим. Сегодня промышленный рынок подмят под себя кремниевыми солнечными батареями. А их КПД практически достиг теоретического предела, и не очень понятно, куда двигаться дальше. Появление перовскитных элементов изменило эту ситуацию: предпринимаются попытки создать так называемый тандемный солнечный элемент. То есть когда вы кладете на солнечный элемент из кремния солнечный элемент из перовскита.

Вся радость в том, что перовскит очень дешевый, то есть вы не добавляете к действующим сейчас солнечным батареям цену, но при этом сильно добавляете эффективность. И если сегодня рекорд эффективности кремния порядка 26%, то рекорд тандемных элементов на сегодняшний день – 28%, это такой психологический барьер, который уже перейден. То есть уже сейчас КПД тандемного элемента выше, чем самый высокий у кремния. Ученые говорят о возможности повысить эффективность тандемных элементов до 30-35%. Когда это произойдет, случится революция! И вот с этим связан основной интерес. Поэтому десятки тысяч лабораторий по всему миру работают над этим, вкладываются большие деньги в промышленные и полупромышленные образцы.

3 июня 2019, 09:00РИА НаукаУченые улучшили элементы новейших солнечных батарей

— Что сдерживает научную революцию? Почему пока не удается добиться ожидаемых результатов эффективности тандемных элементов?

— Главный недостаток перовскитных элементов, на мой взгляд, их нестабильность. Это то, чем мы занимаемся – попытками сделать их стабильными. Срок службы кремниевых солнечных элементов – 25 лет, а у перовскитов – меньше года. Это основной недостаток, который все сдерживает. Наша задача – сделать элементы, которые бы совмещали высокую эффективность с высокой стабильностью.

— А есть ли солнечные батареи с использованием других технологий, помимо кремния и перовскитов?

— Есть, но они все умерли. Долгое время много технологий шли параллельно, но в связи с тем, что правительство Китая вложило огромные деньги в увеличение производства кремниево-солнечных батарей и обработку этих технологий, другие технологии исчезли. Их не существует в промышленном смысле, только в академическом.

— Что даст обычным людям применение тандемной технологии в солнечных батареях: возможно, это более дешево или экологично?

— Действительно, энергия станет дешевле. С точки зрения экологии все неоднозначно. В перовскитах есть вредный свинец, это ужасная вещь для экологии. Однако в перовскитной технологии свинца меньше, чем в кремниевой. Несмотря на это, есть страны, где использование и применение свинца запрещено законодательно. Поэтому сейчас предпринимаются попытки заменить его в структуре перовскитов.

10 января 2018, 08:00РИА НаукаАльтернативная энергетика: когда вместо окон — солнечные батареи

— Перовскиты изучают и пытаются применять во многих странах. Может ли Россия участвовать в этой гонке на равных? Какую роль тут может сыграть НИТУ «МИСиС»?

— Может. Россия когда-то была одной из двух самых передовых держав наравне с США по фотоэлектрическим преобразователям. В России был нобелевский лауреат Жорес Алферов, группа которого занималась концентраторными фотоэлементами, соединениями на арсениде галлия. Сегодня это неактуально. Правда, эта высокая, передовая наука оставила большой след. Долгое время развитие было проблематично в связи с кризисом. Академическая наука абсолютно не финансировалась, молодые люди не могли прокормить свою семью, они должны были поменять профессию либо уехать из страны.

Сегодняшняя наука – это международное комьюнити. Наука не может быть национальной, она интернациональна. Важно создать условия для того, чтобы ученые хотели вернуться. Также сейчас появляются такие вещи, как призыв ученых из-за рубежа, и это очень важно.

Например, НИТУ «МИСиС» пригласил одного из лидеров перовскитных исследований мирового уровня, профессора Альдо Ди Карло. Его задача за три года создать здесь лабораторию и вдохнуть новые знания. Есть мощнейшая группа в «Сколково», один из моих ближайших коллег, профессор Павел Трошин работает там.

Мне кажется, главный потенциал России – в мозгах, а не технологиях и лабораториях. В уровне интеллекта, и, прежде всего, интеллекта молодых студентов.

29 марта 2019, 09:03РИА НаукаНе отравляя планету. Рост экономики возможен без увеличения выбросов CO2

— Насколько перовскиты универсальны? Можно ли применять одни и те же перовскиты в освещении, лазерах, экранах?

— Можно. Термин «перовскит» появился от минерала, но сейчас под ним понимают не материал, а структуру. Все материалы с кристаллической структурой называются перовскитами. Поэтому они очень универсальны, применяются в абсолютно разных сферах. Это так же, как спросить, где применяются металлы, например.

— Многие страны, где недостаточно солнца, считают, что солнечные батареи в их условиях неэффективны. Изменит ли эту ситуацию применение перовскитных технологий?

— В северных странах плохо будет работать технология, где нужен так называемый прямой свет, поскольку облака «убивают» его до нуля. Но есть еще рассеянный свет. Солнечные батареи работают лучше, если будет много света, но если его будет мало, они будут работать все равно. Сейчас солнечные элементы настолько подешевели, что их использование будет выгодным в любых странах. А если удастся идея с перовскитами, и их эффективность увеличится, то это будет еще выгоднее.

Интервью взято в рамках 20-й Международной конференции по светопроводящим материалам «Физика связанных состояний свет-вещество в наноструктурах» (PLMCN-2019) в НИТУ «МИСиС».

Солнечные батареи нового поколения — полный обзор видов. Жми!

20 лет назад электричество, добытое из солнечной энергии, казалось нам просто фантастикой. Но уже сегодня солнечными батареями уже никого не удивишь.

Жители стран Европы давно поняли все преимущества солнечной энергии, и теперь освещают улицы, обогревают дома, заряжают различные приборы и т.д. В этом обзоре речь пойдет солнечных батареях нового поколения, созданных для облегчения нашей жизни и сохранения окружающей среды.

Типы СБ

Принцип работы солнечной батареи. (Для увеличения нажмите)Сегодня насчитывается более десяти видов солнечных устройств, которые используются в той или иной отрасли. Каждый вид имеет свои характеристики и эксплуатационные особенности.

Принцип работы кремниевых солнечных батарей: на кремниевую (кремниево-водородную) панель попадает солнечный свет. В свою очередь, материал пластины изменяет направление орбит электронов, после чего преобразователи дают электрический ток.

Эти устройства можно условно поделить на четыре вида. Ниже рассмотрим их подробнее.

Монокристаллические пластины

Монокристаллическая СБОтличие этих преобразователей в том, что светочувствительные ячейки направлены только в одну сторону.

Это дает возможность получать самый высокий КПД — до 26%. Но при этом панель должна все время быть направлена на источник света (Солнце), иначе мощность отдачи существенно снижается.

Другими словами, такая панель хороша только в солнечную погоду. Вечером и в пасмурный день такой вид панелей дает немного энергии. Такая батарея станет оптимальной для южных районов нашей страны.

Поликристаллические солнечные панели

Поликристаллическая СБПластины солнечных панелей содержат кристаллы кремния, которые направлены в разные стороны, что дает относительно низкий КПД (16-18%).

Однако главным преимуществом этого вида солнечных панелей — в отличной эффективности при плохом и рассеянном свете. Такая батарея все равно будет питать аккумуляторы в пасмурную погоду.

Аморфные панели

Аморфная СБАморфные пластины получают путем напыления кремния и примесей в вакууме. Слой кремния наносится на прочный слой специальной фольги. КПД подобных устройств достаточно низкий, не более 8-9%.

Низкая «отдача» объясняется тем, что под действием солнечных лучей тонкий слой кремния выгорает.

Практика показывает, что после двух-трех месяцев активной эксплуатации аморфной солнечной панели эффективность падает на 12-16%, в зависимости от производителя. Срок службы таких панелей не более трех лет.

Преимущество их в низкой стоимости и возможности преобразовывать энергию даже в дождливую погоду и туман.

Гибридные солнечные панели

Гибридные СБОсобенность таких блоков в том, что в них объединены аморфный кремний и монокристаллы. По параметрам панели похожи на поликристаллические аналоги.

Особенность таких преобразователей в лучшем преобразовании солнечной энергии в условиях рассеянного света.

Полимерные батареи

Полимерная СБМногие пользователи считают, что это перспективная альтернатива сегодняшним панелям из кремния. Это пленка, состоящая из полимерного напыления, алюминиевых проводников и защитного слоя.

Особенность ее в том, что она легкая, удобно гнется, скручивается и не ломается. КПД такой батареи составляет всего 4-6%, однако низкая стоимость и удобное использование делает такой вид солнечной батареи очень популярной.

Совет специалистов: чтобы сэкономить время, нервы и деньги, покупайте солнечное оборудование в специализированных магазинах и на проверенных сайтах.

Новые разработки

С каждым днем технологии стремительно развиваются, и производство солнечных моделей не стоит на месте. Предлагаем ознакомиться с последними новинками на рынке солнечных систем.

Солнечная черепица

Солнечная черепицаДабы не испортить эстетику кровли дома и при этом получать бесплатную энергию солнца, можно рассмотреть вариант с покупкой солнечной черепицы. Этот отделочный материал состоит из достаточно прочного корпуса и встроенных фотоэлементов.

Кровельное покрытие вырабатывает достаточно энергии, которую можно использовать в бытовых условиях. При использовании такого материала-оборудования можно питать отдельно выделенную электросеть или сбрасывать электроэнергию в общую сеть.

В любом случае общие затраты на электроэнергию снижаются.

Лидером по производству солнечной черепицы является компания из России — «Инноватикс». Вот уже более десяти лет она продает высококачественные отделочные материалы со встроенными фотоэлементами.

Интересно, что такую черепицу тяжело отличить от обычного кровельного материала даже при близком расстоянии.

Преимущества солнечной черепицы:

1. Полупроводниковый материал, который используется при соединении фотоэлементов, сократили в 4 раза.
2. Инновационная система фокусировки солнечного света позволяет получать в 5 раз больше энергии.
3. Средний срок эксплуатации солнечной черепицы составляет 20 лет.
4. Относительно небольшой вес черепицы не имеет негативного давления на кровлю.
5. Прочность солнечной черепицы позволяет ее использовать при любых погодных условиях. Черепица спокойно выдерживает град и другие осадки.
6. Простота креплений позволяет надежно устанавливать черепицу в самые короткие сроки.

Солнечное окно

Солнечное окноБуквально три года назад на рынке солнечных технологий появилась новая разработка американских конструкторов из «Pythagorus Solar Windows». Суть инновации в том, чтобы использовать оконное стекло в качестве панели, добывающей солнечную энергию.

Подобные панели по полной используют в высотках европейских городов. Это позволяет существенно экономить электроэнергию.

Технология солнечных окон представляет собой использование фотоэлементов в виде кремниевых полос, встроенных между стеклами. Помимо того, что окна будут вырабатывать дополнительную электроэнергию, в дополнение окно будет защищать комнату от перегрева, задерживая солнечный свет. Внешне солнечные окна похожи на привычные жалюзи.

Другой производитель солнечных окон «Solaris Plus» предлагает использовать специальные стекла, обработанные специальным кремниевым напылением. Полосы будут преобразовывать солнечные лучи в электроэнергию, которая будет питать АКБ через полупрозрачные проводники.

Гибридные фотоэлементы

В 2015 году американскими конструкторами были разработаны гибридные фотоэлементы, позволяющие преобразовывать электроэнергию не только из солнечного света, но и тепла. Суть конструкции заключается в применении фотоэлементов из кремния и полимерной пленки «PEDOT».

Фотоэлемент фиксируется с пироэлектрической пленкой и соединяется с термоэлектрическим оборудованием, способным преобразовывать тепло в электрический ток.

Тестирование новой гибридной технологии показало, что новая термическая пленка способна вырабатывать в 10 раз больше электроэнергии, чем стандартная солнечная панель.

Системы на основе биологической энергии

Исследования, проводимые специалистами из университета Кембриджа, пока не дали конкретных результатов в области разработки солнечных систем нового поколения, преобразовывающих биологическую энергию (фотосинтез). Последние результаты показали КПД менее 0.4 %.

Но разработки не останавливаются, а ученые обещают, что в ближайшем будущем получать энергию от биологических солнечных систем.

Варианты таких батарей впечатляют:

1. Лампа дневного света, работающая от обычного лесного мха.
2. Электростанции в виде больших листьев.
3. Панели из растений для домашнего пользования.
4. Мачты из растений, из которых будут добывать электроэнергию и многое другое.

Надеемся на то, что в скором будущем гелиосистемы нового поколения будут использоваться по максимуму. Это даст возможность обеспечить электроэнергией каждый дом на планете, без вреда для окружающей среды.

Смотрите видео, в котором рассказывается о солнечных батареях нового поколения:

Каких прорывов ждать от солнечной энергетики в 2019 году

За последние два года цены на модули упали на 32%, а инверторы подешевели на 18%. При этом мощность установок растет, а КПД солнечных панелей увеличилось за десятилетие на четверть. Китай и Европа задают тренды на рынке, но к процессу уже подключаются страны по всему миру. Аналитики IHS Markit выпустили свежий отчет о том, каких прорывов ждать от солнечной энергетики в 2019 году.

В 2019 году рынок солнечной энергетики ожидает новая волна роста. Около 90 стран продолжат внедрять модули и строить электростанции, наращивая показатели. В 9 регионах общая мощность солнечных установок вырастет на 500 МВт по сравнению с прошлым годом. Такой прогноз представили аналитики IHS Markit в свежем отчете, в котором обозначили главные тренды индустрии на ближайшие 12 месяцев.

Главным драйвером роста станет удешевление оборудования. За последние два года цены на модули упали на 32%, а инверторы подешевели на 18%. 

Тенденция сохранится, и многие компании начнут осваивать новые отрасли. Они будут не только обслуживать установки, но также выпускать комплектующие и самостоятельно заниматься монтажом. Некоторые начнут внедрять новые технологии, в том числе машинное обучение и интернет вещей. 

Рынок переживет бум, как в пиковый период развития солнечной энергетики. Рост будет измеряться в десятках процентов, однако точную цифру аналитики не называют.

Первой эффект ощутит на себе Европа. Спрос на фотоэлементы в регионе достигнет в этом году максимума с 2012 года. 

«Солнечный ренессанс» повлечет обновление устаревшей инфраструктуры — модули подвергнут массовой модернизации. IHS Markit подчеркивает, что необходимость уже назрела. В среднем установкам общей мощностью 40 ГВт уже больше шести лет. Реновации затронут Германию, Италию, Испанию и Францию.

Однако задавать тренды будет не Европа, а Китай — мировой лидер в солнечной энергетике. За последние 8 лет республика установила модули общей мощностью 175 ГВт. Темпы установки новых панелей продолжат расти и именно КНР окажет решающее влияние на итоговые показатели 2019 года. 

Аналитики прогнозируют, что все большей популярностью будут пользоваться масштабные системы хранения энергии, подключенные к солнечным электростанциям. В основном батареи будут устанавливать в Северной Америке — суммарно они будут выдавать 500 МВт*ч. Всего в ближайшие пять лет общая мощность хранилищ увеличится на 2 ГВт. 

Благодаря совершенствованию технологий повысится эффективность фотоэлементов. За последнее десятилетие средний КПД модулей увеличился на четверть. На рынке все большим спросом будут пользоваться модули мощностью 400 Ватт.

Еще одним трендом станет цифровизация. Ежедневно компании будут продавать до 30 тыс. инверторов, подключенных к сети. За год их число достигнет 11 млн.

Производители попытаются найти применение собранным данным и извлечь из них пользу.

Ранее эксперты MIT назвали три причины рекордного снижения цен на солнечную энергию. По их мнению, решающую роль сыграли государственные субсидии. Также на процесс повлияло совершенствование технологий и массовое производство оборудования.

Новое поколение солнечных батарей: гибридные панели

60 лет прошло с тех пор, как первые солнечные батареи были установлены на внешнюю обшивку американских и советских спутников. С тех пор технологии шагнули далеко вперед. Энергию солнца используют не только для космических объектов, но и для обеспечения электричеством жилых домов. Появилось множество способов улавливать и перерабатывать солнечный свет. В ряду обычных солнечных батарей выделяется гибридная солнечная панель.

На основе кремния

Кремний (Si) – материал, который использовали еще для создания первых конструкций, перерабатывающих энергию солнечного света.

Долгое время существовало три типа таких батарей:

• Монокристаллические (производят из цельных кристаллов). Обладают самым высоким КПД, но не способны улавливать рассеянный свет;
• Поликристаллические (сделанные из кристаллов, направленных в разные стороны), способные улавливать даже рассеянный свет.
• Аморфные – гибкие панели с невысоким КПД, которые можно установить на поверхность любой конфигурации.

Гибридные солнечные панели на основе кремния сочетают аморфный кремний и монокристаллы. Эти панели эффективны в условиях недостаточной освещенности и способны эффективно работать дольше, чем стандартные аморфные устройства.

На основе перовскита

Один из самых эффективных и недорогих способов преобразовывать в электроэнергию свет, который испускает солнце, – использовать перовскит. Этот материал впервые обнаружили в Уральских горах еще в ХХ веке. На него обратили внимание благодаря особой кристаллической решетке, свойственной полупроводникам. Про устройства на основе перовскита уже говорят, что это солнечные батареи нового поколения.

Для создания такого аккумулятора нужен тонкий слой проводящего материала и полимерная подложка. В итоге получается гибкая полупрозрачная панель, которую можно использовать не только как стационарную батарею, но и как материал для стекол, например. Она будет не только улавливать свет, но и защищать помещение от перегрева.

Единственная причина, по которой  гибридная солнечная панель из перовскита еще не завоевала весь мир – более низкая эффективность относительно кремниевых. Но, как показывают некоторые исследования, КПД можно улучшить при помощи правильно подобранного полимера. Например, швейцарские физики представили вещество FDT, недорогой материал, способный улучшать работу перовскитных батарей.

Еще одна удачная разработка – сочетание перовскита с кремнием. Используя эту методику, можно получить устройства, эффективно улавливающие и перерабатывающие УФ-лучи. Эти устройства могут быть гибкими и/или полупрозрачными. Значит, их можно использовать не только как стационарные источники энергии, но и для портативной техники, например.

Читайте также:

Плюсы и минусы перовскитных солнечных элементов

Из пентацена и сульфида свинца

В 2012 году выдающиеся физики Нил Гренхам и сэр Ричард Френд предложили новый вариант гибридного аккумулятора. От изобретенных ранее он отличается способностью преобразовывать все спектры УФ-излучения и высоким КПД. Эти аккумуляторы обладают внутренней квантовой эффективностью в 50%.

Представленная гибридная солнечная панель состоит из неорганического соединения (PbS, сульфид свинца) и полициклического ароматического углеводорода (пентацен). В этой связке PbS улавливает красную часть спектра, а пентацен – синюю, более насыщенную энергией. Благодаря взаимодействию между слоями на каждый пойманный синий фотон приходится по два электрона. Таким образом, КПД этой новинки в два раза больше, чем у других подобных устройств (обычно на один фотон приходится один электрон).

Два минуса изобретения – его сомнительная безвредность для окружающей среды и возможная недолговечность. Пентацен относится к группе соединений, способных провоцировать различные мутации и являющихся мощными канцерогенами.

Самый простой способ производства этого углеводорода – из бензола, являющегося производным нефти, запасы которой на нашей планете не бесконечны.

Недолговечность объясняется просто: пентацен склонен чрезмерно окисляться под воздействием кислорода в условиях облучения ультрафиолетом. Что, собственно, и будет происходить при эксплуатации такого аккумулятора. Так что практическое использование этой разработки находится под большим вопросом.

Наука не стоит на месте, ежедневно радуя человечество новейшими разработками в той или иной области. Так что можно надеяться, что рано или поздно появится достаточно эффективный солнечный аккумулятор, который будет и долговечным, и безвредным для окружающей среды.

Массовое производство перовскитных солнечных панелей уже в 2020 году

Долгое время казалось, что в солнечной энергетике кремнию нет альтернатив, но потом появился перовскит – более дешевый материал, из которого к тому же можно делать гибкие солнечные элементы.

Перовскитовые солнечные элементы могут быть дешевле, легче и производительнее, чем традиционные панели на основе кремния. Их можно крепить на окна, неровные поверхности и даже на транспорт, что открывает совершенно новые возможности для использования солнечной энергетики. Главная проблема на сегодняшний день состоит в том, чтобы повысить прочность перовскитовых фотоэлементов.

В прошлом году инженеры из Оксфорда зажгли лампу от тонкого солнечного элемента площадью около квадратного сантиметра. Фотоэлектрическая ячейка состояла из двух частей – нижняя была такая же, как в обычных кремниевых панелях, а верхняя была изготовлена из перовскита. Тандемная панель в лабораторных условиях показала конверсию солнечного света в электричество на уровне 28%, что является рекордом для перовскит-кремниевых элементов.

Кремниевые солнечные панели доминируют на рыке (95% от общего объема продаж), но этот материал не идеален: он использует только красную и инфракрасную часть спектра и на практике редко демонстрирует эффективность выше 23%, хотя в теории может преобразовать в электричество до 29% потока фотонов. Перовскит захватывает более широкий диапазон, а солнечные элементы из него можно изгибать и крепить на неровные поверхности.

Компания Oxford PV планирует выпустить на рынок тандемные перовскит-кремниевые панели в конце следующего года, наладив их производство на купленном в 2016 году у компании Bosch Solar заводе в Германии.

На протяжении почти десяти лет все попытки потеснить на рынке кремниевые панели новыми материалами закачивались либо полным крахом, либо отвоеванием небольших профильных ниш. Однако в последние месяцы в стартапы по производству перовскитных солнечных элементов закачаны миллионы долларов с прицелом в скором времени раскачать этот негибкий рынок.

Принимая во внимание коммерческую перспективность перовскита, приходится признать, что этим солнечным элементам придется нагонять налаженное и резко подешевевшее производство кремниевых солнечных элементов. Глобальное снижение цен (почти вполовину) произошло в период с 2010 по 2013 год в результате экспансии китайских производителей. Теперь строительство новых заводов и организация логистических цепочек окажутся экономически оправданными только в том случае, если альтернативный материал будет производительней, дешевле в производстве, универсальным в применении или более стойким, — а лучше обладать всеми перечисленными достоинствами одновременно.

У перовскитовых элементов хорошие шансы на успех: однослойный элемент теоретически может выдать конверсию 33%, а тандемный – до 43%. Это означает, что с сопоставимой по площади тандемной генерирующей установки удастся получить почти в полтора раза больше чистой энергии, чем от кремниевой солнечной панели, или же платить за аренду земли меньше благодаря установке панели меньшей площади, но с сопоставимой производительностью.

Перовскитовые панели дешевле в производстве, в том числе благодаря низкотемпературной технологии. Кроме того, такие солнечные элементы можно изготовить в жидкой форме для нанесения на стекло или пластик по технологии, аналогичной печатному производству.

Единственным, но критическим недостатком перовскита является его нестабильность: высокая конверсия экономически не оправдает себя, если элементы придется менять раз в несколько месяцев или даже лет, а перовскит, как доказано, распадается достаточно быстро под действием ультрафиолета и влаги. Разработчики из Oxford PV планируют выводить тандемные перовскит-кремниевые элементы на рынок в коммерческом виде, приближенном к традиционным кремниевым панелям, пряча перовскитовый слой под стекло. В такой форме материал должен сохраниться дольше, однако одновременно будет утрачено важное коммерческое достоинство перовскитовых элементов – гибкость и возможность нанесения на разные поверхности.