«Солнечные батареи из перовскита». Солнечные батареи из перовскита. Доклад солнечные батареи из перовскита Выполнил студент гр.30т Пономарёв Никита
 Скачать 1 Mb.
|
|
ГАПОУ СО «Саратовский политехнический колледж» ДОКЛАД Солнечные батареи из перовскита Выполнил студент гр.№ 30-т Пономарёв Никита Руководитель Кожевникова Галина Эдуардовна Саратов 2016г. Введение Энергия солнца является альтернативой электрической, к тому же, она бесплатна и неисчерпаема. Научный прогресс сегодня не стоит на месте и у людей имеется возможность использовать ее в своих целях. Постоянное повышение тарифов на электроэнергию способствует росту популярности солнечных модулей . Их производство в промышленных масштабах налажено в Германии, США, Китае. В нашей стране заводы имеются в Рязани, Москве, Краснодаре и Зеленограде. Однако на рынке солнечной энергии доминируют ячейки кристаллов кремния. Большинство альтернатив менее эффективны и при этом стоят дорого. Однако в последние несколько лет появилось множество научных разработок о ячейках, сделанных из перовскита Историческая справка Вещество, известное ученым уже более ста лет, только сегодня, в начале XXI века, оказалось весьма перспективным материалом для производства дешевых и эффективных солнечных элементов. Перовскит, или титанат кальция, впервые найденный в виде минерала немецким геологом Густавом Розе в Уральских горах еще в 1839 году, и названный в честь графа Льва Алексеевича Перовского, славного государственного деятеля и коллекционера минералов, героя Отечественной войны 1812 года, оказался наиболее подходящим претендентом на роль альтернативы кремнию в производстве солнечных батарей. Это класс кристаллов, которые своей структурой имитируют естественный оксид титана кальция. Перовскит не нуждается в обработке при высокой температуре, которая и составляет большую часть стоимости кремниевых элементов.  Рис.1 Минерал перовскит. Основная часть. Цель: Ознакомиться с уникальными возможностями применения перовскита как перспективного материала для солнечной энергетики .  Рис. 2 Солнечные панели Солнечные ячейки на основе перовскитов Как вещество, титанат кальция до недавнего времени широко использовался лишь в качестве диэлектрика многослойных керамических конденсаторов. И вот теперь его пробуют применить для построения высокоэффективных солнечных батарей, поскольку выяснилось, что данный материал прекрасно абсорбирует свет. Обычные, ставшие давно традиционными, кремниевые солнечные батареи при толщине в 180 микрон поглощают столько же света, сколько перовскит поглотит при толщине всего в 1 микрон. Перовскит так же как и кремний является полупроводником, и примерно так же эффективно передает электрический заряд под действием света, однако спектр преобразуемого в электричество света у перовскита шире, чем у кремния. Главной задачей любого рода фотоэлемента является извлечение энергии из как можно большего количества волн разной длины. Учёный из Оксфордского университета профессор Генри Снейз создал тип перовскита, который эффективно улавливает синий свет, но по большей части позволяет проходить красному. Он был соединен с другим видом перовскита, который эффективен при улавливании красного света. Используя комбинацию олова, свинца, цезия, йода и органических материалов, ученому удалось создать перовскит, который способен даже захватывать видимый инфракрасный свет. Структура кристаллического вещества титаната кальция идентична структуре минерала перовскита, потому и название у них одно и то же. И именно данное вещество находится сегодня на одном из лидирующих мест в рейтинге путей оптимизации для солнечной энергетики. Большинство светопоглощающих материалов обладают симметричной кристаллической структурой, что и позволяет электронам свободно течь в разные стороны. Перовскит имеет кубическую кристаллическую решетку, образованную атомами одного металла. Внутри каждого куба находится восьмигранник, образованный атомами кислорода, внутри которого «сидит» атом другого металла. Типичная формула перовскита, используемого в солнечной энергетике, CH3NH3PbX3, где CH3NH3 — ион метиламмония, Pb — свинец, а X — ион из числа галогенов (может быть как I, Br, так и Cl  Рис.3. Кристаллическая структура соединений перовскитов Взаимодействие между этими атомами заставляет электроны течь в едином направлении, благодаря чему солнечные батареи на базе перовскита обладают крайне высоким КПД, около 15-25%. Структура перовскитного солнечного элемента Структура перовскитовой солнечной батареи, в которой активный слой состоит из слоя пористого оксида титана TiO2, который покрыт поглотителем – слоем перовскита. Активный слой контактирует с материалом n-типа для транспорта электронов и материалом p-типа для транспорта дырок. Ячейка представляет собой сэндвич из шести слоев: электропроводящего стекла, оксида олова, двуокиси титана, оловянного перовскита, полого слоя для транспортировки и тонкой золотой пленки. Под воздействием солнечных лучей светочувствительный слой (перовскит) генерирует электроны и так называемые дырки (места в энергетической зоне, откуда электроны ушли), которые сохраняются на двух электродах. При замыкании электрической цепи между ними накопленный заряд обеспечивает питание устройства без солнечного облучения. Важно, что процесс накопления заряда и использование солнечной энергии может идти одновременно. Существует три типа солнечных батарей на основе перовскита, схематично они изображены на рисунке 4. Рис. 4. Три типа строения солнечных ячеек на основе перовскита а) б) в)  В первом случае (рисунок 4.а) в качестве дополнительного электрода используется мезопористый оксид титана. Такая конструкция позволяет добиться высокой скорости преобразования солнечной энергии в постоянный электрический ток [1]. Однако, заполнение такого рода мезопористых структур перовскитом чрезвычайно сложно, и вследствие этого дорого. Согласно второму варианту (рисунок 4.б) в качестве пористой структуры используются нанотрубки (материал ZnO или TiO2). Благодаря их вертикальному расположению скорость транспортировки и рекомбинации электронов будет больше, чем в предыдущем случае. А это в свою очередь позволяет уменьшить размеры пластин при той же эффективности. При равной площади эффективность различается более, чем на 5 % . Тем не менее, солнечные батареи на основе перовскитов способны давать неплохие показатели эффективности, даже когда представляют собой обычную планарную структуру (рисунок 4.в). Даже более того, ввиду своей дешевизны относительно двух предыдущих вариантов, именно они представляют основной исследовательский интерес Известно, что перовскиты обладают высокой проводимостью около 10–3 См.см-3, которая требует толстый слой HTM,- hole transport material (дословный перевод — материал, служащий основой для переноса дырок). чтобы избежать сквозных отверстий. Например, широко используются в качестве слоя HTM полупроводники p-типа, такие как NiO, CuCsN, CuI, CsSnI3и другие. Они имеют хорошую оптическую прозрачность, исключают возможность утечки электронов, имеют соответствующие энергетические уровни, а также поддерживают высокое качество и достаточную толщину пленки перовскита [2]. В качестве электрода используется оксид индия олова (ITO), прозрачный для видимого света. Однако сейчас ведутся активные работы по поиску альтернатив ITO, поскольку индий является достаточно редким элементом, и соответственно цена на оксид очень высока. К тому же полученные пленки являются очень хрупкими. В качестве альтернативы может применяться олово, легированное фтором (FTO) Compact TiO2 (пористый диоксид титана) используется в качестве электрода, повышающего эффективность процесса поглощения. Таким образом, процесс изготовления перовскитовых солнечных элементов видится исследователям довольно простым. Жидкость просто разбрызгивается на поверхность или наносится в виде пара, что очень просто реализовать технологически. На металлическую фольгу или на стекло наносится несколько слоев материалов, один из которых — перовскит. Другие материалы здесь нужны для того, чтобы способствовать перемещению электронов внутри элемента. Процесс изготовления приближен к идеалу. Физик из Оксфордского Университета, Генри Сайнт, занимающийся разработкой перовскитовых ячеек в США, уверен, что слои солнечной панели будут наноситься так же легко, как при обычной покраске какой-нибудь поверхности.  Рис.5 Нанесение слоя материала Мини – исследование В настоящее время существуют следующие типы фотоэлектрических элементов: монокристаллические кремниевые, поликристаллические кремниевые, тонкоплёночные кремниевые. Минимальные цены на фотоэлементы ( 2016 г.): - Монокристаллические кремниевые – 98 руб/Вт установленной мощности. - Поликристаллические кремниевые – 86 руб/Вт установленной мощности. - Тонкоплёночные – 45 руб/Вт установленной мощности. - Перовскитные – 15-18 руб/Вт установленной мощности. Стоимость кристаллических фотоэлементов на 40-50% состоит из стоимости кремния. Для создания кремниевой солнечной батареи необходимо преобразовать кварц в кремниевые кристаллы посредством процесса, который требует температур свыше 3000 градусов по Фаренгейту (1600 градусов Цельсия),— а ячейки перовскита можно формировать в лаборатории при температуре плавления олова в 232 градуса Цельсия, а затем наносить на пленку вообще при комнатной температуре». Солнечные панели, в которой толщина слоя светопоглощающего перовскита равна 330 нм», имеют высокую эффективность превращения света в электричество – 15,4%, а также большое напряжении – 1,07 В, Это значит, что нам нужно совсем немного перовскитов для создания солнечных батарей с хорошими свойствами. Полученный результат – 15,4% для панели площадью 16 см2 – независимо подтверждён международным испытательным центром корпорации Newport в Монтане, и представляет самую высокую эффективность для самой большой одиночной перовскитной солнечной батареи. Новый элемент превосходит по площади предыдущий рекордный образец по меньшей мере в 10 раз.Помимо этого, в UNSW получен рейтинг эффективности 18% для перовскитного элемента площадью 1,2 см2 и 11,5% для мини-модуля из четырёх элементов с суммарной площадью 16 см2. Эти рекорды также независимо подтверждены экспертами Newport. Для сравнения, обычные кристаллические кремниевые элементы значительно толще – 0,15 мм, и напряжение, производимое этими панелями всего 0,7 В. Таким образом, батареи станут более легкими и портативными, а количество их полных циклов работы (моментов от одной зарядки до другой) возрастёт в три раза по сравнению с обычными, которые обещают 3000 циклов при разрядке на 80% (на большую величину разряжать аккумуляторы нерационально). Вывод: Технология солнечных батарей на перовските в 5-7 раз дешевле кремния как при производстве батарей, так и при их эксплуатации, а количество производимой электроэнергии такое же И это при том, что аналитики энергетической отрасли утверждают, что уже при стоимости в 30 руб за 1 кВт, солнечная энергия становится конкурентоспособной по отношению к ископаемому топливу. То есть переход на перовскит в глобальном масштабе снизит стоимость производства электроэнергии в разы, при этом процесс производства самих панелей будет очень простым. Мировые исследования Исследования по оценке и повышению эффективности солнечных элементов на основе перовскита ведутся во многих странах: в России -команда российских ученых под руководством Горшунова,. в Австралии — Мартин Грин, в Швейцарии — Майкл Гретцель, в США — Генри Снейз, Феликс Дешлер, Лиминг Дай, в Корее — Сок Санг Иль. Исследователи заявляют в один голос о дешевизне и высокой эффективности перспективной технологии.  Рис.6 Профессор Оксдскфорого университета Генри Снейз Генри Снейз установил что комбинируя ячейку перовскита с традиционным кремниевым модулем, возможно захватить 25,2% энергии солнца. Теперь Снейз пошел еще дальше, объединив два слоя перовскита вместе, чтобы получить ячейки с эффективностью 20,3%. Несмотря на то что такие батареи менее эффективны, чем комбинации из кремния и перовскита, Снейх утверждает, что они будут более дешевыми в массовом производстве. - Майкл Гретцель утверждает, что достигнутая им эффективность в 15% легко может быть увеличена до 25%, а недорогие солнечные элементы из ныне доступных не дотягивают до 15%. Майкл Гретцель уверен, КПД в 25% приведет к революции в солнечной энергетике. Профессор из Австралии, Мартин Грин, один из пионеров в исследованиях, утверждает, что бескремниевые батареи настолько просты в производстве и эффективны в эксплуатации, что однозначно есть уверенность — будущее у солнечных батарей на перовските светлое, ведь предварительные оценки уже пророчат колоссальное удешевление — в 7 раз.  Рис.7 Исследователь из Кореи Сок Санг Иль Группа исследователей из Кореи, под руководством Сок Санг Иля, разработала собственную формулу, путем смешивания метиламмония бромида свинца с формамидин-иодидом свинца, ученые добились такой структуры перовскита, что установили КПД в 17,9%. Использование смеси позволит печатать солнечные элементы, и их стоимость еще больше снизится Р  ис.8 Солнечный модуль из перовскиита Многие компании уже работают над коммерческим внедрением продукта, ведь несмотря на то, что возможности перовскита еще только начинают осознаваться, ведущие специалисты в области солнечной энергетики уже устремили свое внимание в будущее. Австралийские и Турецкие компании вместе активно подошли к коммерциализации перовскитовых солнечных батарей, и по прогнозам, уже к 2018 году они будут представлены на мировом рынке. Несмотря на оптимизм некоторых компаний, опыт показывает, что обычно необходимо лет десять для выхода новой технологии из лаборатории на рынок, а за это время и кремниевые батареи вполне могут и обогнать перовскит. Гретцель, кстати, продает лицензию на новую технологию компаниям, которые намерены идти по традиционному пути кремния. Между тем, исследователи из Огайо, под руководством Лиминг Дай, взялись за электрификацию электрокаров с помощью солнечных панелей из перовскита. Они разработали наиболее выгодное, чем это было раньше, сочетание солнечных панелей с аккумуляторами электрических автомобилей. Подключив четыре перовскитовых батареи к литиевому аккумулятору, ученые добились КПД 7,8% в наиболее эффективной на сегодняшний день конфигурации, которая превзошла былые решения по совмещению солнечных батарей с суперконденсаторами и аккумуляторами. Такие системы, по мнению разработчиков, смогут в будущем не просто заряжать электрокары, но и будут установлены в виде гибкой пленки на кузовах. Технология представляется идеальной для электромобилей. Примечательна способность перовскита к переизлучению. Ученый из Кембриджского университета, Феликс Дешлер, обнаружил, что перовскит обладает уникальным свойством. Когда на материал попадает свет, энергия фотонов не просто преобразуется в электроэнергию, часть заряда обратно превращается в фотоны. Если панель сможет повторно использовать эти фотоны, то собираемой энергии станет еще больше. Группа Дешлера провела эксперимент, в котором сконцентрировала луч лазера на срезе перовскита толщиной в 0,5 микрона, и свет переизлучался в другом месте образца. Кремний, например, не обладает способностью перемещать внутри себя энергию и вновь ее испускать. В будущем это решение открывает возможность использования солнечных батарей в беспилотных летательных аппаратах (дронах) или как элемента «умной одежды». ПАЛАТКА С ИНТЕГРИРОВАННОЙ СОЛНЕЧНОЙ ПАНЕЛЬЮ Американские ученые из бюро промышленного дизайна «Калейдоскоп» разработали Orange Solar Tent — концепт палатки будущего, который может быть реализован на практике в ближайшие годы. Эта палатка включает в себя массу занятных функций и наверняка придется по нраву путешественникам и любителям Orange Solar Tent создана из фотогальванической ткани, способной к накоплению солнечной энергии. Таким образом, с помощью палатки можно зарядить GPS- навигатор, мобильный телефон или другой гаджет. Для этого достаточно разместить электронное устройство в специальном кармане. Также палатка оснащена геолокатором и ЖК-экраном. Благодаря этому легко найти, если Вы вдруг заблудитесь. Достаточно обладать RFID-меткой или послать СМС, чтобы палатка дала о себе знать мягким желтым цветом   Рис.9 Палатка с солнечной панелью. Кто знает, может со временем к вышеуказанным функциям добавятся подогрев и возможность накопления энергии в пасмурные дни. Впрочем, концепт выглядит интересно даже в нынешнем виде. Такая палатка вполне способна совершить маленькую революцию после своего триумфального появления . Заключение Главное революционное преимущество перовскитной технологии, выводящее фотовольтаику на новый уровень, — активные слои этих солнечных элементов возможно наносить из жидких растворов на тонкие и гибкие подложки. Так называемая технология «Roll to roll» позволяет размещать солнечные батареи на поверхностях любой кривизны. Это могут быть оконные полупрозрачные «энерго-шторы» домов и машин, фасады и крыши зданий, бытовая электроника, гаджеты и т.д. Таким образом, перспективы у перовскита колоссальны, и кто знает, может быть не за горами те времена, когда каждый дом и каждый автомобиль будут оснащены перовскитовыми батареями, поскольку загрязнять окружающую среду продуктами сжигания ископаемого топлива станет уже экономически не выгодно и не целесообразно. Рис.10.Дом с солнечными батареями  Литература 1. Шамин А. А., Ракша С. В., Кондрашин В. И., Печерская Р. М. Солнечные ячейки на основе перовскитов // Молодой ученый. — 2015. — №4. — С. 286-289 2. Компания «TheWallStreetJournal» [электронный ресурс]. — Режима доступа: https://clck.ru/9RU7t, свободный 3. Журнале Nature Communications 4. Журнал Science Интернет ресурсы http://compulenta.computerra.ru www.mineralienatlas.de http://www.joule-watt.com/solar-battery-pv/mineral-perovskit-delaet-solnechnuyu-energiyu-deshevle/     |