Разработка перовскитных солнечных элементов — технологии, которая обещает устранить фундаментальные недостатки традиционных кремниевых солнечных панелей, одновременно предлагая ранее недостижимые показатели эффективности и простоту производства, — вызывает радикальные изменения в индустрии солнечной энергетики. Исследователи, инвесторы и энергетические компании по всему миру обратили внимание на эти передовые солнечные элементы, поскольку они достигли невероятных, ранее немыслимых, показателей эффективности. Однако они также сталкиваются со многими препятствиями, которые необходимо преодолеть, прежде чем они смогут действительно изменить глобальный энергетический ландшафт.

Понимание перовскитной революции

Перовскитные солнечные элементы, использующие кристаллическую структуру, впервые обнаруженную в минерале титана кальция (CaTiO₃) русским минералогом Густавом Розе в 1839 году, предлагают совершенно иной способ преобразования солнечного света в энергию. В настоящее время название «перовскит» относится к любому веществу, имеющему ту же кристаллическую структуру ABX₃, в которой позиции X вокруг металла образованы ионами хлора или йодида, позиция B заполнена свинцом, а позиция A обычно занята метиламмонием в углах.

По словам Стива Альбрехта, ведущего исследователя из Центра имени Гельмгольца в Берлине, обладателя мировых рекордов эффективности перовскитных солнечных элементов, главное преимущество этих материалов — простота их обработки по сравнению с кремнием. Простые методы, такие как центрифугирование, печать или испарение, позволяют создавать перовскитные материалы при комнатной температуре, используя легкодоступные сырьевые ингредиенты, в то время как для кремния требуются энергоемкие операции очистки при температурах выше 1,000 градусов Цельсия.

Читайте также: Почему мега-план по экспорту австралийской солнечной энергии в Азию (почти) провалился

Рекордные достижения в области эффективности

Динамика эффективности перовскитных солнечных элементов была просто поразительной; к 2025 году одобренные Национальной лабораторией возобновляемой энергии (NREL) однопереходные устройства достигли удивительной эффективности в 26.7%, по сравнению с ничтожными 3% в 2009 году. Однако наиболее впечатляющие результаты показали тандемные конструкции, сочетающие кремниевые и перовскитные подложки.

В апреле 2025 года двухконтактный тандемный солнечный элемент на основе перовскита и кремния компании LONGi Solar достиг рекордной эффективности в 34.85% , превысив теоретический предел Шоккли-Квиссера в 29% для однопереходных кремниевых элементов. Это достижение знаменует собой сдвиг парадигмы, поскольку демонстрирует, что перовскитные солнечные элементы, несомненно, могут превзойти то, что ранее считалось фундаментальным физическим пределом для преобразования фотоэлектрической энергии.

Читайте также: Что на самом деле препятствует развитию ветровой и солнечной энергетики? Проблема подключения к сети.

Коммерческое развитие и выход на рынок

Наиболее важным этапом для перовскитных солнечных элементов является переход от лабораторных успехов к коммерческой реальности, при этом ряд компаний добиваются значительных успехов в направлении массового производства и выхода на рынок. Первой компанией, достигшей коммерческих продаж, стала Oxford PV, основанная выпускниками Оксфордского университета. В сентябре 2024 года компания отгрузила клиентам в США тандемные перовскитные модули из 72 ячеек с КПД 24.5%.

Фотоэлектрические модули Oxford PV демонстрируют, что перовскитные солнечные элементы могут производить до 20% больше энергии, чем традиционные кремниевые панели того же размера . Это существенное преимущество для крупномасштабных установок, поскольку экономика проекта напрямую зависит от эффективности использования земли. Первая в мире коммерческая производственная линия для тандемных солнечных элементов на основе перовскита на кремниевой подложке расположена на заводе компании в Бранденбурге-на-Хавеле, Германия. К 2026–2027 годам ожидается, что объем производства достигнет гигаваттного уровня.

Читайте также: Новое исследование: Резкий рост выбросов может поставить под угрозу солнечную инфраструктуру Индии.

Сравнение перовскитных и кремниевых солнечных элементов

Источник: Министерство энергетики США

Читайте также: Использование солнечной энергии: построение устойчивого солнечного будущего

Фундаментальные преимущества перед кремниевой технологией

Перовскитные солнечные элементы имеют весомый аргумент, который выходит за рамки повышения эффективности и включает в себя базовые преимущества с точки зрения производственных процессов, потребности в материалах и универсальности применения. Устройства на основе перовскита можно изготавливать при комнатной температуре, используя растворные технологии с использованием обширного ассортимента легкодоступных ингредиентов, в отличие от кремниевых солнечных элементов, которые требуют дорогостоящих высокотемпературных процессов очистки и энергоёмкого производства.

Гибкость производства перовскитных солнечных элементов, недоступная для жестких кремниевых панелей, позволяет создавать такие приложения, как легкие гибкие модули, интегрированные в здания фотоэлектрические системы , а также решения для космических и военных целей. Используя вакуумное формование и микроканавки, компания Power Roll в сотрудничестве с Лондонским университетом королевы Марии создала перовскитные солнечные пленки толщиной менее одного миллиметра.

Читайте также: Самое поразительное заблуждение, которое мы все имеем об энергии

Экономические проблемы и ценовая конкурентоспособность

Перовскитные солнечные элементы могут обладать производственными преимуществами, но для коммерческого успеха потребуется преодолеть серьезные препятствия на пути к паритету цен с хорошо зарекомендовавшей себя кремниевой технологией. Для широкого распространения перовскитная технология должна превзойти кремний, стоимость которого сейчас составляет 12.7 цента за ватт, по словам Дженни Чейз , аналитика солнечной индустрии с 18-летним стажем в Bloomberg NEF.

Согласно исследованию Чешского технического университета, перовскитные солнечные элементы могут стабилизировать стоимость электроэнергии на уровне 3-4 центов за кВт⋅ч в солнечных регионах, таких как Испания или Египет . Это сделает их конкурентоспособными по сравнению с существующими фотоэлектрическими технологиями, даже при меньших объемах производства. Для отдельных перовскитных панелей в идеальных условиях, согласно исследованию, период окупаемости энергии составляет всего 0.6 года.

Прогнозы роста рынка и инвестиции

Рынок перовскитных солнечных элементов растет поразительными темпами; по оценкам, его объем увеличился со 124.3 млн долларов в 2023 году до 350.07 млн ​​долларов в 2024 году, или на впечатляющие 52.3% в год. По оценкам экспертов отрасли, растущее коммерческое признание и зрелость технологии могут привести к тому, что к 2031 году объем рынка достигнет 3 509,2 млн долларов США.

Читайте также: Рост солнечной энергетики в США: разработчики планируют достичь рекордной мощности в 33 ГВт к 2025 году.

Реальные эксплуатационные характеристики и испытания на открытом воздухе

Критически важным этапом проверки технологии перовскитных солнечных элементов является перенос из контролируемых лабораторных условий в реальные условия эксплуатации на открытом воздухе. Рабочие характеристики солнечных элементов в реальных условиях эксплуатации с колебаниями погоды, изменениями температуры и длительным воздействием окружающей среды представляют собой окончательную проверку коммерческой целесообразности, хотя лабораторные показатели эффективности также являются ценными ориентирами.

Ограниченные данные по испытаниям перовскитных солнечных элементов в полевых условиях показывают как многообещающие характеристики, так и области, требующие дальнейшей работы. Относительная новизна стабильных перовскитных составов препятствует проведению долгосрочных экспериментов, охватывающих несколько лет, несмотря на то, что исследовательские группы задокументировали хорошие начальные показатели в реальных условиях.

Критические проблемы стабильности и деградации

Основным препятствием для широкого коммерческого использования перовскитных солнечных элементов являются серьёзные проблемы со стабильностью, несмотря на впечатляющие эксплуатационные характеристики. Перовскитные материалы подвержены разрушению под воздействием различных факторов окружающей среды, таких как влажность, кислород, ультрафиолетовое излучение, термические нагрузки и даже электрические заряды, проходящие через активные солнечные элементы, благодаря той же структурной гибкости, которая упрощает низкотемпературный синтез.

Читайте также: Политика в области солнечной энергетики находится в стадии изменения, поскольку стоимость электроэнергии в США препятствует развитию чистой энергетики.

Заключение

Траектория развития перовскитных солнечных элементов указывает на медленный, но быстрый путь к широкому коммерческому использованию в течение следующих десяти лет. Основываясь на текущих разработках и опубликованных производственных планах, Oxford PV прогнозирует, что солнечные электростанции промышленного масштаба, использующие тандемные элементы, будут введены в эксплуатацию к 2026–2027 годам. Это амбициозный, но достижимый план.

Имея теоретический предел эффективности в 43%, тандемные ячейки на основе перовскита и кремния обладают большим потенциалом для дальнейшего совершенствования и выхода за рамки существующих стандартов. Многочисленные исследовательские группы работают над различными стратегиями, такими как улучшенная инженерия интерфейса, сложные методы инкапсуляции и оптимальное управление светом, чтобы приблизиться к этому теоретическому пределу.

Как и другие прорывные технологии, перовскитные солнечные элементы, вероятно, успешно выйдут на рынок, сначала применяясь в специализированных приложениях, где их особые преимущества перевешивают высокую стоимость, а затем постепенно выходя на массовые рынки по мере снижения масштабов производства и затрат. Наиболее перспективными на ранних этапах являются рынки, требующие высокой эффективности в ограниченном пространстве, например, в коммерческих зданиях, на крышах жилых домов и в космических приложениях.

Читайте также: Является ли энергия ядра Земли ключом к удовлетворению глобальных энергетических потребностей?

Часто задаваемые вопросы (Часто задаваемые вопросы)

В1. Из чего сделаны перовскитные солнечные элементы?

Они изготовлены из металлогалогенидных соединений, организованных в кристаллическую структуру, которая эффективно улавливает солнечный свет.

В2. Насколько они эффективны сегодня?

Лабораторные испытания показывают эффективность около 26.7% для однопереходных и почти 34.9% для тандемных версий.

В3. Как долго они служат?

Большинство из них служат всего несколько лет, в то время как силиконовые панели могут прослужить 25–30 лет.

В4. Почему их производство обходится дешевле?

Они требуют меньше сырья и низкотемпературных процессов, что снижает производственные затраты.

В5. Безопасны ли они для окружающей среды?

Они часто содержат свинец, но разрабатываются методы переработки и альтернативные варианты, не содержащие свинца.

Читайте также: Большинство угольных электростанций в США отложат вывод из эксплуатации на фоне роста популярности ИИ в энергетике.