Распылить и распечатать: как будут развиваться тонкопленочные солнечные панели

О тонкопленочных солнечных панелях говорят как о новой революционной технологии, которая способна кардинально изменить рынок солнечных технологий. Но и у нее есть свои минусы.

Новые технологии преобразования солнечной энергии - наносимые с помощь спрея, распечатываемые тонкопленочные элементы - в последнее время выглядят тем новым толчком, который, как ожидается, еще больше ускорит развитие рынка солнечной генерации.

Тонкопленочные солнечные материалы, которые сейчас развиваются лишь учеными в лабораториях и небольшими исследовательскими компаниями, открывают доступ к потенциально более простому и дешевому производству солнечных элементов.

После того как большие игроки, такие как Panasonic, Fujifilm, Statoil ASA и Legal & General Capital, начали инвестировать в эту технологию, эксперты начали говорить, что тонкопленочные панели поступят в продажу уже через 5 - 10 лет.

«Эта сфера развивается так быстро, что я уверен, что через несколько лет на рынке начнут появляться готовые продукты, которые уже можно будет подержать в руках», говорят эксперты из Национальной лаборатории возобновляемой энергии в штате Колорадо, США.

Одной из многообещающих технологий тонкопленочных солнечных панелей являются перовскитные элементы, названные так в честь российского минералога Лева Перовского, который жил в 19-м веке.

В отличие от кремниевых фотовольтаических солнечных ячеек, перовскитные - растворяемы в ряде растворителей, поэтому они легко могут наноситься на поверхности с помощью распыления, как это происходит с чернилами или красками. Такая форма нанесения потенциально делает производство солнечных элементов намного дешевле, а также позволяет наносить «солнечную пленку» на гибкие материалы, что открывает новые сферы для использования солнечной энергии.

«Вы можете распечатать на фабрике эти солнечные элементы, как печатают газеты. И в итоге получите солнечные панели в рулоне», - говорят в лаборатории Колорадо.

Но что больше всего привлекает внимание к этой технологии, так это драматический рост ее эффективности, которого ученым удалось достичь. Так, за 7 лет им удалось повысить эффективность преобразования солнечного света в энергию с 3,8% до более чем 20%.

Такие цифры могут, на первый взгляд, показаться не сильно впечатляющими, но стоит принять во внимание, что эффективность традиционных (основанных на кремнии) панелей за десятки лет разработок достигла 24 - 25% в лабораторных условиях, а в «полевых» - и того около 18%. При этом теоретический максимум использования солнечного света для генерации электроэнергии у кремниевых ячеек - 33%.

В то же время на фоне популярности разговоров «революционности» тонкопленочных батарей, часть экспертов придерживается позиции сдержанных ожиданий:

«Мы должны смотреть в лицо реальности. Чтобы установить эти ячейки на крышу в качестве солнечной электростанции, потребуется значительное усовершенствование этого материала», - говорит один из профессоров по материаловедению из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Одной из проблем перовскитного материала является растворимость. Кроме того, нельзя игнорировать и их повышенную теплочувствительность - то есть перовскитные элементы менее стабильны, чем их кремниевые коллеги-конкуренты (хотя и их срок годности ограничивается лишь 20 - 25 годами). Тонкопленочный солнечный элемент начинает деградировать уже через несколько месяцев. Это не позволяет материалу в текущем состоянии претендовать на рынок масштабных коммерческих проектов, таких как массивы солнечных станций, например.

Исследователи работают над тем, чтобы улучшить стабильность материала. И среди вариантов снижения скорости его деградации рассматривают, и ведут разработки специальных покрытий, которые изолировали бы его от воздействия окружающей среды (хотя при этом повысится и его стоимость).

Еще один вопрос, над решением которого работают исследователи - утилизация. Обычно перовскитные элементы содержат небольшое количество свинца - не настолько, чтобы поставить под сомнение будущее их развития (в одном автомобильном аккумуляторе достаточно свинца, чтобы создать сотни квадратных метров перовскитных солнечных панелей), но достаточно, чтобы озадачить ученых искать альтернативные, менее токсичные, материалы.

Стартап Oxford PV, который появился в стенах Оксфордского университета, объявил о привлечении двух раундов крупных инвестиций (8,1 млн и 8,7 млн фунтов) в конце 2016 года, выделенных Statoil Energy Ventures и Legal & General Capital. Компания также объявила о заключении партнерства с неназванным крупным производителем солнечного оборудования, а также о планах вывести свой продукт на рынок уже к концу следующего года.

Помимо перовскитных технологий, в виде тонких пленок также могут распечатывать и органические солнечные элементы - на гибкой подложке. В случае органических панелей, светопреобразующий слой (или слои) получают из проводящих органических материалов, обычно из полимеров. Также как и перовскиты, органические солнечные ячейки имеют проблемы со стабильностью, но их эффективность несколько ниже - около 13% в лаборатории. При этом у них есть свои плюсы - они не содержат токсичного свинца, а также могут быть прозрачными или разноцветными. То есть, потенциально их можно использовать на поверхностях и окнах зданий, для получения дополнительных объемов энергии.

Другой новый подход в получении солнечной энергии - так называемые квантовые точки. Это полупроводниковые частицы, которые можно наносить на поверхность. Технология эта еще пока далека от коммерциализации, но теоретически, если объединить ее с перовскитами, то можно будет получить светопреобразовывающий материал эффективностью 30%, говорят ученые.

На данном этапе сектор тонкопленочных солнечных технологий занял выжидательную позицию, отмечают в британской Торговой Ассоциации участников рынка солнечной энергетики (Solar Trade Association):

«Исследования ведутся во многих областях, и мы ожидаем, когда какой-нибудь из них удастся выйти из лаборатории на коммерческий уровень» - говорят в организации.

«Нам не стоит забывать, что коммерчески успешные солнечные элементы с эффективностью более 20% уже широкодоступны, и уже во многих регионах мира генерируют энергию, дешевле, чем «традиционные» источники».