Зарина Калиева Исследователи из Наньянского технологического университета в Сингапуре разработали сверхтонкие полупрозрачные солнечные элементы на основе перовскитов, которые можно интегрировать непосредственно в оконные стекла и элементы остекления фасадов. Технология призвана решить проблему дефицита площади для размещения традиционных солнечных панелей в условиях плотной городской застройки.
Обычные кремниевые фотоэлектрические системы отличаются значительным весом и габаритами. Вес одной стандартной панели для жилых домов составляет в среднем от 18 до 23 кг, а для их размещения требуются крыши большой площади или свободные земельные участки. В мегаполисах, где современные офисные высотки потребляют гигаватт-часы электроэнергии в год, площади крыш критически не хватает. Облицовка фасадов тяжелыми непрозрачными панелями невозможна из-за изменения весовых нагрузок и эстетического облика зданий.
Группа ученых под руководством Аннализы Бруно использовала для создания новых элементов перовскиты – кристаллические материалы, которые активно исследуются в гелиоэнергетике благодаря потенциально низкой себестоимости и способности эффективно работать при рассеянном освещении. Толщина активного поглощающего слоя в новых элементах составляет всего 10 нанометров, что в тысячи раз тоньше человеческого волоса. Способность работать при непрямом свете критически важна для городов с высокой плотностью застройки, где высотные здания создают глубокие тени.
В ходе испытаний полупрозрачный образец толщиной 60 нанометров показал эффективность преобразования энергии на уровне 7,6% при светопропускании около 41%. Непрозрачные варианты толщиной от 10 до 60 нанометров продемонстрировали КПД от 7% до 12%. Хотя эти показатели ниже эффективности стандартных кремниевых панелей, которая превышает 20%, минимальный вес и прозрачность открывают новые возможности для интеграции фотовольтаики в городскую среду. К тому же новые элементы нейтральны по цвету и не приводят к сильному тонированию стекол.
Главным технологическим достижением сингапурских разработчиков стал метод производства. Они применили метод термического испарения в вакууме, который уже широко используется в полупроводниковой промышленности и производстве дисплеев. Это позволило отказаться от жидких химических растворителей и обеспечить высокую равномерность нанесения тончайших пленок на больших площадях, что упрощает масштабирование технологии.
По оценкам исследователей, если оснастить такими элементами стеклянный фасад небоскреба «Всемирный торговый центр 1» в Нью-Йорке, здание сможет генерировать несколько сотен мегаватт-часов электроэнергии в год. На строительный сектор приходится около 40% мирового потребления энергии, поэтому решения, позволяющие превращать поверхности зданий в источники генерации, становятся все более востребованными.
Однако практическое внедрение технологии сталкивается с серьезными препятствиями. Перовскитные солнечные элементы известны своей высокой чувствительностью к влаге, кислороду, нагреву и ультрафиолетовому излучению. Достижение стабильной работы элементов в реальных условиях эксплуатации в течение многих лет остается нерешенной задачей. Профессор Кембриджского университета Сэм Стрэнкс, не принимавший участия в исследовании, отметил перспективность работы, подчеркнув, что ключевыми испытаниями для технологии станут долгосрочная стабильность и сохранение эффективности на больших площадях.
В случае успешного решения проблем с долговечностью сфера применения технологии может выйти далеко за пределы архитектуры. Сверхтонкие фотоэлектрические элементы могут использоваться в автомобильных стеклах, люках, носимой электронике и умных очках, позволяя устройствам подзаряжаться от естественного или искусственного освещения без изменения внешнего вида. Разработчики уже подали патентную заявку и ведут переговоры с индустриальными партнерами для стандартизации процесса вакуумного напыления.
