Преобразование солнечной энергии играет ключевую роль в переходе Европы к чистой и климатически нейтральной энергетической системе. Хотя сегодня на рынке доминируют кремниевые солнечные модули, их жесткость, вес и ограниченная гибкость дизайна мешают использованию во многих перспективных областях. Новое покоеление тонкопленочных фотоэлектрических технологий, в частности перовскитные солнечные элементы, открывает возможности для генерации энергии там, где традиционные решения неэффективны.
За последнее десятилетие перовскитные солнечные элементы привлекли огромное внимание благодаря стремительному росту эффективности преобразования энергии, превысившей 27%. Их низкотемпературное производство и совместимость с гибкими подложками делают их революционной альтернативой. Однако высокая производительность таких элементов достигается за счет использования свинца, что вызывает серьезные экологические опасения и может стать препятствием для их массового внедрения.
Европейский проект SMARTLINE-PV, финансируемый в рамках программы Horizon Europe, нацелен на решение этой проблемы. Его задача – разработка масштабируемых и экологически чистых солнечных элементов на основе оловянных перовскитов. Объединяя инновации в материалах, плазменную обработку и экодизайн, проект стремится открыть новые сферы применения, в частности, в быстрорастущих областях интернета вещей (IoT) и фотовольтаики, интегрированной в здания (BIPV).
За проектом стоит междисциплинарный консорциум из 13 европейских партнеров, который объединяет академический опыт, прикладные исследования и промышленное ноу-хау. Ведущие университеты и исследовательские организации – Технологический университет Граца, HZB, Joanneum Research, CNR, Fraunhofer ISE, CEA и bifa Umweltinstitut – занимаются разработкой материалов, в то время как промышленные партнеры, такие как INO GmbH, temicon и Homerun Energy, фокусируются на масштабируемых процессах и рыночном дизайне. Это тесное сотрудничество позволяет преодолеть разрыв между фундаментальной наукой и промышленными решениями.
Замена свинца оловом – многообещающий путь к созданию экологически чистых фотоэлементов. Оловянные перовскиты обладают многими из тех же благоприятных оптоэлектронных свойств, что и их свинцовые аналоги, включая сильное поглощение света. Эффективность таких ячеек уже превысила 17%. Однако остаются серьезные проблемы: оловянные перовскиты склонны к быстрой кристаллизации, имеют высокую плотность дефектов и химически нестабильны из-за окисления олова. SMARTLINE-PV решает эти вопросы с помощью новой химии и стратегий контроля кристаллизации, что позволяет выращивать более однородные и стабильные пленки.
Традиционное производство перовскитов часто использует процессы, которые трудно контролировать и масштабировать. В SMARTLINE-PV исследуется плазменный подход – быстрый и не требующий растворителей метод кристаллизации при низких температурах. Он обеспечивает хороший контроль над ростом кристаллов и совместим с рулонным производством, что является важным шагом к промышленному масштабированию, снижению энергопотребления и себестоимости.
Помимо оптимизации самого перовскита, проект уделяет внимание архитектуре устройства. Разрабатываются специальные межслойные покрытия для улучшения извлечения заряда и защиты чувствительных интерфейсов. Благодаря комплексному подходу SMARTLINE-PV стремится достичь эффективности более 20% для солнечных элементов на основе олова – амбициозная, но реалистичная цель.
Современные солнечные системы должны сочетать производительность с дизайном. Проект решает эту задачу с помощью концепции MorphoColor, вдохновленной структурной окраской крыльев бабочек. Она использует фотонные структуры для создания ярких, настраиваемых цветов без пигментов. Это позволяет производить перовскитные модули с выбираемым цветом, идеально подходящие для архитектурной интеграции. Фасады, солнцезащитные козырьки и элементы крыши могут одновременно вырабатывать электроэнергию и формировать визуальный облик зданий.
Экологичность является руководящим принципом SMARTLINE-PV. Проект интегрирует концепции экодизайна и экономики замкнутого цикла на всех этапах жизненного цикла солнечных элементов – от сырья до утилизации. Низкотемпературная и быстрая обработка снижает потребление энергии при производстве, обеспечивая низкий углеродный след по сравнению с традиционными технологиями.
Чтобы сократить разрыв между лабораторией и практикой, особое внимание уделяется демонстрационным образцам. Гибкие оловянные перовскитные модули интегрируются в устройства интернета вещей, обеспечивая автономное питание для датчиков и умных систем. Параллельно демонстраторы BIPV показывают интеграцию гибких цветных модулей в строительные элементы, такие как черепица и солнцезащитные козырьки. Эти образцы проходят испытания в реальных условиях, предоставляя ценные данные о производительности и долговечности.
Решая одновременно вопросы эффективности, масштабируемости, экологичности и эстетики, SMARTLINE-PV делает значительный шаг к новому поколению тонкопленочной фотовольтаики. Проект доказывает, что солнечные элементы на основе олова могут выйти за рамки нишевых исследований и стать реальными кандидатами для применения в нашей повседневной жизни и создания более устойчивой городской среды.
