Неоднородность перовскитов показала путь к дешевой электроэнергии

Учёные из Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли (США) обнаружили особенность перовскитных солнечные батарей, позволяющую надеяться на резкий рост их коэффициента полезного действия (КПД) уже в ближайшем будущем. Это могло бы сделать такие фотоэлементы самыми перспективными из всех существующих и дополнительно снизить цены на электричество, получаемое от Солнца. Соответствующая статья опубликована в Nature Energy.
В настоящий момент цены на «солнечный» киловатт достигли исторического минимума. Во многих странах гелиоэлектростанции продают электричество в сеть за 5-7 центов за киловатт-час, а временами и вовсе работают бесплатно. Однако дальнейшие резервы снижения цен с недавних пор выглядят минимальными. Фотоэлементы из кремния за последние десять лет подешевели во много раз, так, что стоимость их установки в развитых странах уже выше цены самого оборудования. Радикально изменить ситуацию мог бы рост КПД. Более эффективная батарея получает больше энергии с квадратного метра, что позволяет снизить и издержки на установку. Тем не менее, в плане роста КПД у кремния пока не очень благоприятные перспективы.
Перовскитные солнечные батареи во многом предпочтительнее кремниевых – при их производстве не применяются такие небезопасные реагенты как плавиковая кислота и так далее. Однако КПД их до сего времени не превышает 22 процентов, что примерно на уровне массовых кремниевых образцов. Но когда исследователи из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли попытались изучить их эффективность «под микроскопом» – их ждал большой сюрприз. Оказалось, что они работают не как кремниевые полупроводники, одинаково по всей своей площади. Напротив, отдача электричества от некоторых микроучастков перовскитных фотоэлементов была близка к теоретическому максимуму в 31 процент. В то же время соседние фрагменты давали КПД намного ниже средних 22 процентов.

Учёные отмечают, что такая неравномерная выработка имеет большое значение для совершенствования перовскитных конкурентов кремния. Перовскитные батареи состоят из зерен со множеством микрограней. Средний размер каждой грани равен всего 200 нанометров. То, что КПД даже соседних граней одного зерна могла резко колебаться, указывает на зависимость эффективности преобразования света в электричество от пространственной ориентации грани. Те грани, где кристаллическая решетка была ориентирована правильно, давали больше всего энергии, в то время как ориентированные неправильно работали хуже нормы. В настоящий момент исследователи намерены определить оптимальную ориентацию кристалла и распространить её на всю батарею в целом, подняв КПД на десятки процентов.
В случае если им это удастся, перовскиты в солнечной энергетике могут стать куда более перспективным материалом, чем кремний. Фотоэлементы из перовскитов получают простым отстаиванием водных растворов, что делает их проще, дешевле и экологичнее в производстве. Кроме того, они легче и могут размещаться почти на любой поверхности, включая стены домов. Наконец, более высокий КПД снизит стоимость получаемого от них электричества до уровня, при котором его будет экономически эффективно получать даже не в самых солнечных регионах.