Что такое перовскит, «чудо-материал», который стимулирует революцию в области солнечной энергии?

Некоторые утверждают, что прогресс, достигнутый в разработке перовскитных солнечных батарей, ставит нас на пороге новой революции в области солнечной энергетики. Но все зависит от их эффективности в реальных условиях. В лаборатории на окраине Оксфорда, Великобритания, сложены образцы фотоэлектрических (ФЭ) солнечных батарей, ожидающие различных испытаний. «Один из исследователей использует электронный микроскоп для сканирования и анализа батарей на наличие примесей, которые могут повлиять на их эффективность. Другой измеряет реакцию элементов на изменения в спектре света. Лабораторией руководит Oxford PV, дочерняя компания Оксфордского университета, одна из нескольких стартапов по всему миру, работающих над разработкой того, что некоторые считают революционным следующим поколением солнечной энергии: тандемных перовскитных солнечных элементов. Эта технология сочетает в себе кремний, материал, который в настоящее время используется в фотоэлектрических (ФЭ) солнечных панелях по всему миру, с перовскитными материалами, чтобы значительно повысить эффективность солнечных панелей при преобразовании солнечного света в электричество. Перовскит — это минерал, который был впервые обнаружен в Уральских горах в Евразии в 1839 году. Однако современное название относится к различным синтетическим материалам с кристаллическими структурами, имитирующими структуру минерала. Его можно производить из таких материалов, как бром, хлор, свинец и олово, которые в настоящее время легко доступны. По мнению сторонников этого «чудо-материала», перовскитные панели обещают экономичное увеличение энергии, генерируемой солнечными парками и крышами, и могут работать намного лучше, чем кремниевые панели в спутниках и электромобилях. Однако критики этой технологии обеспокоены тем, что повышенная чувствительность перовскита к влаге и теплу приведет к более быстрому износу. Их также беспокоит то, что перовскиты обычно содержат свинец, токсичное вещество, которое может иметь вредные последствия для здоровья и окружающей среды. «Многие стартапы и исследователи, работающие над преодолением этих препятствий, считают, что тандемные панели уже готовы к широкому использованию. Однако, несмотря на рекордные показатели эффективности, достигнутые в лабораториях, их способность достигать ощутимых результатов в реальных условиях еще не доказана. «В настоящее время солнечная энергия составляет почти 7% мирового производства электроэнергии и быстро растет: в 2024 году она выросла на 29%. Кроме того, она стала вторым по дешевизне новым источником электроэнергии в мире, даже в США. (только наземная ветровая энергия дешевле). «Анализ 2023 года показал, что развитие солнечной энергетики, возможно, уже достигло переломного момента в плане доминирования на мировых рынках электроэнергии, даже без учета новых климатических политик». Обычные кремниевые панели доминируют на современном рынке солнечной фотоэлектрической энергии, но их эффективность (показатель количества солнечного света, преобразуемого в энергию) имеет относительно низкий верхний предел. «Эффективность имеет ключевое значение для возобновляемых источников энергии, поскольку расширение роста в масштабах, необходимых для глобальной декарбонизации, зависит от производства максимального уровня энергии при минимально возможных затратах». Основное преимущество перовскитов перед кремнием заключается в том, что они могут преобразовывать в энергию большую часть светового спектра благодаря сочетанию факторов, включая высокую подвижность электронов внутри ячеек. «Перовскитные ячейки могут использоваться независимо в некоторых приложениях. Они ультратонкие, что означает, что их можно напылять на поверхности, такие как окна, и в настоящее время несколько компаний тестируют эту технологию. Однако их использование в сочетании с кремнием дает преимущества как кремния, так и перовскитов в плане поглощения солнечной энергии. Ячейки, изготовленные исключительно из кремния, обычно имеют эффективность 21–23 %, и хотя ее можно повысить, теоретический максимум составляет около 33 %. В тандемных солнечных элементах из перовскита теоретическая максимальная эффективность увеличивается до более чем 47%. «Oxford PV утверждает, что способность этих панелей генерировать больше энергии на той же площади снизит стоимость электроэнергии примерно на 10% по сравнению со стандартными кремниевыми панелями, согласно собственному внутреннему анализу». Когда в конце 2000-х годов начались дискуссии о тандемных панелях, отрасль сначала отнеслась к ним скептически, поскольку многие считали, что они слишком хороши, чтобы быть правдой, утверждает Дэвид Уорд, исполнительный директор Oxford PV. «Уже было известно, что можно комбинировать две ячейки для поглощения большего количества солнечного света, но это было очень дорого», — добавляет он. «Комбинация под названием галлий-арсенид работает по тому же принципу, но значительно дороже кремния». «Тандемные солнечные панели из перовскита также имеют свои недостатки. Исследование показало, что эта технология оказывает на 7 % большее воздействие на окружающую среду на одну панель, чем обычная кремниевая фотоэлектрическая солнечная энергия, из-за дополнительных процессов, необходимых для ее производства. «Однако также было отмечено, что их более высокая производительность с лихвой компенсирует это, поскольку для получения того же количества энергии требуется меньше панелей». Перовскиты также чувствительны к влажности и высоким температурам, а первые продукты были гораздо менее долговечными и стабильными, чем кремний. Небольшое количество свинца (токсичного вещества) внутри панелей также вызвало сомнения. Однако, по словам Джозефа Берри, исследователя из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии США, изучающего коммерческую жизнеспособность перовскитов для солнечной энергетики, по сравнению с энергией, производимой панелями, количество используемого свинца минимально и намного меньше, чем количество свинца, получаемого при сжигании угля для производства того же количества энергии. Он добавил, что любые проблемы с токсичностью при утилизации панелей можно избежать путем разработки надлежащих процессов переработки или повторного использования. Компания Oxford PV утверждает, что ее панели разработаны для переработки таким же образом, как и стандартные кремниевые панели (которые также содержат свинец). Солнечная энергетика в целом ищет лучший способ переработки панелей, включая свинец. В лаборатории Oxford PV работа сосредоточена на решении остающихся технических проблем, связанных с тандемными солнечными элементами. «Здесь в климатической камере проводятся «ускоренные испытания на старение», в ходе которых испытуемые элементы подвергаются воздействию экстремальных условий, таких как высокие температуры, влажность и быстрые циклы нагрева-охлаждения, что позволяет за несколько недель или месяцев смоделировать многолетнее воздействие окружающей среды». Эти испытания дают представление о том, как элементы могут деградировать в реальных условиях, без необходимости ждать пять, десять или пятнадцать лет», — говорит Лаура Миранда, директор по устойчивому развитию Oxford PV. «Учитывая чувствительность перовскита к влажности и теплу, данные, подтверждающие его долгосрочную надежность, будут иметь жизненно важное значение для его коммерциализации». Однако, по словам Берри, их трудно получить при такой молодой технологии. «Производители кремниевых модулей могут гарантировать срок службы 30 лет, потому что у них есть 30 лет полевых данных», — добавляет он. «Но в случае перовскитов знание того, что модуль, который мы производим сегодня, прослужит 30 лет, является вопросом действительно сложной материаловедения». Быстрый темп развития означает, что реальные полевые испытания не дадут ответов, добавляет он. «Устройства, которые мы производили 10 лет назад, не имеют отношения к тому, что считается надежным сегодня», — говорит он. «В любом случае, хотя тандемные ячейки деградируют быстрее, чем кремниевые, для их жизнеспособности важна дополнительная энергия, которую они производят, по словам Скотта Грейбила, исполнительного директора Caelux, американской компании, выделенной из Калифорнийского технологического института, которая также разрабатывает тандемные ячейки из перовскита». Настоящая ценность здесь заключается в том, сколько энергии будет произведено в течение срока действия договора купли-продажи энергии», — утверждает он. «Это то, что важно для людей». Усилия Oxford PV, похоже, приносят свои плоды. В 2024 году компания установила новый рекорд по эффективности солнечных модулей для жилых домов, достигнув коэффициента преобразования 26,9 %. Компания считает, что ее программа исследований и разработок будет продолжать повышать эффективность ее ячеек на один процентный пункт в год. «Другие компании, использующие тандемные перовскиты, попали в заголовки новостей с эффективностью более 30%, но часто речь идет о лабораторных испытаниях ячеек, которые еще не доступны на рынке». По словам японского эксперта Цутому Миясака, чья команда первой начала использовать перовскиты для солнечной энергетики в 2009 году, рекорды, достигнутые с помощью ячеек, изготовленных в лаборатории, обычно представляют собой «чемпионские» ячейки с производительностью, превосходящей производительность более крупных панелей, производимых на заводах, где качество может быть нестабильным на больших площадях. Берри отмечает, что данные, которые компания указывает в коммерческих спецификациях для покупателей, более точно отражают производительность. «Если им удастся сократить разницу между этим показателем и своим рекордом, это будет значительным достижением», — утверждает он. Oxford PV утверждает, что в настоящее время производит свои ячейки на заводе в Германии и недавно отправила свой первый пилотный проект из около 100 кВт тандемных солнечных панелей (достаточных для снабжения примерно 14 средних американских домов) в коммерческий солнечный парк в США. Эти солнечные модели имеют эффективность 24,5 %, по данным Oxford PV, и их производительность будет тщательно контролироваться. «Мы хотим, чтобы наши панели были протестированы в разных частях мира, чтобы мы могли собрать набор данных о производительности», — говорит Уорд. Компания не единственная, кто пытается ускорить этот процесс. В июне 2025 года Swift Solar, дочерняя компания американских университетов Массачусетского технологического института (MIT) и Стэнфорда, объявила о пилотном проекте с компанией American Tower Corporation, занимающейся инфраструктурой связи, по развертыванию своих тандемных перовскитных панелей на некоторых из 42 000 телекоммуникационных башен». Компания CubicPV, базирующаяся в Бостоне, и NREL достигли эффективности 24 % в тандемных ячейках. А компания Caelux недавно отправила свою первую коммерческую партию активного стекла на основе перовскита. «Компании из Китая, который является крупнейшим рынком солнечной энергии в мире, также быстро продвигаются вперед». В апреле 2025 года гигант солнечной энергетики Trinasolar, базирующийся в Чанчжоу, объявил о новом мировом рекорде эффективности преобразования в 31,1 % для тандемной солнечной ячейки, а Oxford PV недавно подписала соглашение, позволяющее ей лицензировать свою технологию на китайском рынке. Другие компании также объявили о своих высоких показателях эффективности преобразования, например, Longi из Шанхая, которая утверждает, что достигла эффективности 33,9 % с помощью одной ячейки. Тандемные солнечные панели могут обеспечить резервную мощность в случае, если у водителя закончится энергия по пути к зарядной станции, утверждает Грейбил, чья компания Caelux ведет переговоры с некоторыми крупными автопроизводителями о тестировании своих продуктов. Автомобиль нельзя заставить работать только на солнечной энергии, потому что она слишком тяжелая, но обеспечить медленную зарядку аккумулятора для небольшого увеличения запаса хода — это, безусловно, возможно», — утверждает он. Oxford PV также ведет переговоры с автомобильной отраслью об использовании своих панелей в электромобилях. «Автомобили обычно находятся на открытом воздухе большую часть дня, почему бы не использовать эту энергию?» — спрашивает Уорд. Тандемные перовскитные панели также рассматриваются для возможного применения в космосе, например, для питания спутников. «Традиционно солнечная энергия в космосе генерировалась с помощью солнечных панелей, изготовленных из арсенида галлия, поскольку он более эффективен, чем кремний, и гораздо лучше выдерживает высокие температуры и радиацию, присутствующие в космосе». Однако тандемные перовскитные панели предлагают те же преимущества по гораздо более низкой цене, что важно для нового поколения более экономичных спутников с меньшим сроком службы, которые запускаются в настоящее время, утверждает Уорд. Он признает, что разработка продуктов для космоса находится на ранней стадии, и отмечает, что Oxford PV ведет переговоры с несколькими людьми по этому поводу. Грейбил признает, что даже для использования в солнечных парках и на крышах зданий тандемные перовскитные ячейки все еще находятся в зачаточном состоянии. Однако он считает, что солнечная энергетика неуклонно движется в сторону этой технологии. «Это будет радикальная трансформация», — утверждает он. Для Берри сейчас главное — посмотреть, как тандемные перовскитные панели работают в реальных условиях. Одно дело — верить, что у вас есть что-то долговечное, и совсем другое — доказать это на практике. «Хотя мы надеемся, что перовскит действительно будет способствовать улучшению многих аспектов реальной производительности, нам нужно это проверить», — утверждает он. «Кэтрин Эрли»