Солнечные окна скоро станут коммерческой реальностью

В прошлом году Организация Объединенных Наций сделала мрачное предупреждение: у мира очень короткий 10-летний период, чтобы принять меры по предотвращению катастрофического и необратимого изменения климата. Неудивительно, что стремление к чистой энергии прошло полный круг, поскольку продолжающееся увлечение инвестициями в ESG сейчас проявляется на фоне самой страшной пандемии в современной истории.  В общем и целом, ископаемое топливо по-прежнему является источником энергии для мировой экономики, но от него быстро отказываются в пользу возобновляемых источников энергии, таких как ветер, солнце и геотермальная энергия. В то время, когда нефтегазовый сектор сталкивается с наихудшим экзистенциальным кризисом в современной истории, спрос на возобновляемые источники энергии продолжает неуклонно расти.

Возобновляемые источники энергии действительно находят свое место в этом мире, а ранее загадочные темы, такие как водородная энергия, солнечные окна и даже анти-солнечные панели, переживают великий ренессанс — и каждая мелочь имеет значение.

Солнечные окна часто игнорировались как еще одна безрассудная попытка чрезмерного увлечения сторонниками чистой энергии продвигать возобновляемые источники энергии за счет ископаемого топлива. Тем не менее, эта домашняя технология может сыграть значительную роль в нашей борьбе с изменением климата в не столь отдаленном будущем.

Перовскитовые солнечные окна

Для большинства из нас окна — это не что иное, как стандартный домашний прибор, состоящий из стеклянных окон, которые пропускают свет и защищают от непогоды и других элементов. Однако теперь ученые рассматривают наши окна как шанс взять пассивные части наших зданий и превратить их в активные генераторы чистой энергии.

Инженеры разработали полупрозрачный солнечный элемент, который позволит нашим окнам использоваться как солнечные панели, которые могут преобразовать как нашу архитектуру, так и производство энергии.

Солнечные окна — это именно то, на что они похожи: прозрачные окна, способные поглощать солнечный свет и превращать его в полезное электричество. Вместо стандартного кремния — темно-синего и полностью непрозрачного — в солнечных окнах используются перовскитные солнечные элементы (PSC) для сбора электроэнергии, как в большинстве обычных солнечных батарей. Действительно, всего двух квадратных метров (около 22 квадратных футов) PSC следующего поколения, тонированных в той же степени, что и нынешние застекленные коммерческие окна, было бы достаточно для выработки такого же количества электроэнергии, как у стандартной солнечной панели — где-то в районе 140 Вт на метр.

Это не так уж и далеко от типичной солнечной панели, которая способна производить около 320 Вт энергии. Действительно, лучшие солнечные панели в текущем году способны производить от 285 до 360 Вт.

Но перед этим немного о чудо-кристалле, который мы называем перовскитом.

Перовскитовые солнечные элементы

Солнце, наш основной источник энергии, купает нашу голубую планету в большом количестве солнечной энергии, что мы можем разумно использовать. Каждый час Солнце посылает нам 430 квинтиллионов джоулей энергии, что больше, чем 410 квинтиллионов джоулей, которые люди потребляют за год. Поскольку Солнце, вероятно, будет существовать еще пять миллиардов лет или около того, у нас есть практически неограниченный источник энергии — если бы мы только могли использовать его эффективно. 

К сожалению, в настоящее время мы можем использовать лишь небольшое количество этой энергии из-за технических ограничений.

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США создала государственно-частный консорциум под названием US-MAP для Консорциума по производству перспективных перовскитов в США, цель которого — ускорить разработку недорогих перовскитных солнечных элементов для мирового рынка.

Силиконовые панели

По данным МЭА, солнечная энергия обеспечила всего 592 ГВт, или всего 2,2%, от 26 571 ГВт в мире потребления электроэнергии в 2018 году. Это произошло после впечатляющего 20-процентного роста мировых фотоэлектрических установок до почти 100 ГВт. Более 90% установленных фотоэлектрических (PV) панелей были построены из кристаллизованного кремния. 

У силиконовых панелей есть свои преимущества: они довольно прочные и относительно простые в установке. Благодаря достижениям в методах производства, они стали довольно дешевыми за последнее десятилетие, особенно поликристаллические панели, изготавливаемые на китайских заводах.

Тем не менее, они страдают серьезным недостатком: кремниевые фотоэлектрические панели довольно неэффективны, а самые доступные модели обеспечивают энергоэффективность всего на 7 – 16% в зависимости от таких факторов, как размещение, ориентация и погодные условия. Si-панели имеют пластинчатую основу, что делает их более прочными и долговечными, но компромисс — это жертва эффективности.  

Чтобы удовлетворить стремительно растущий в мире энергетический аппетит — и достичь целей по декарбонизации, которые помогли бы замедлить воздействие изменения климата — потребуются сотни лет, чтобы построить и установить достаточное количество кремниевых фотоэлектрических панелей. Это слишком медленно, учитывая, что у нас есть всего 10 лет, чтобы принять меры по предотвращению необратимых и катастрофических изменений климата.

Что еще более важно, лучшие (и самые дорогие) кремниевые панели на сегодняшний день могут похвастаться максимальным показателем эффективности 26,7%, что довольно близко к теоретическому максимуму 29,1%.

В течение многих лет ученые экспериментировали с альтернативными формами кристаллов, которые позволили бы панелям аналогичного размера захватывать больше энергии. До сих пор появилось несколько проектов, которые были коммерчески жизнеспособными, особенно тонкопленочные элементы, которые теоретически могли бы достичь гораздо более высокого уровня эффективности.

Тонкопленочные фотоэлектрические панели могут поглощать больше света и, таким образом, производить больше энергии. Эти панели можно изготавливать дешево и быстро, удовлетворяя больший спрос на энергию за меньшее время. Существует несколько различных типов тонкопленочных панелей, все они немного отличаются от стандартных фотоэлектрических панелей из кристаллического кремния (c-si). 

Панели из аморфного кремния (a-Si) являются самой старой формой тонкой пленки: химический пар осаждает тонкий слой кремния на стекле или пластике, в результате чего получается панель с низким весом, которая не очень энергоэффективна, составляя 13,6%. Кроме того, существуют панели из теллурида кадмия (CdTe), в которых частицы кадмия на стекле используются для производства высокоэффективных панелей. Недостатком здесь является металлический кадмий, который токсичен и его трудно производить в больших количествах. 

Эти панели обычно производятся с использованием технологии испарения: частицы перегреваются, и пар распыляется на твердую поверхность, например стекло. Они тонкие, но не такие надежные и долговечные, как панели c-si, которые в настоящее время доминируют на рынке.

Перовскитовый прорыв NREL

Перовскиту удалось пробить стеклянный потолок эффективности. Перовскиты — это семейство кристаллов, названное в честь русского геолога Лео Перовски. У них есть набор характеристик, которые делают их потенциальными строительными блоками для солнечных элементов: высокая сверхпроводимость, магнитосопротивление и сегнетоэлектричество. Тонкопленочные фотоэлектрические панели на основе перовскита могут поглощать свет с более широким спектром длин волн, производя больше электроэнергии при той же интенсивности солнечного излучения.

В 2012 году ученым наконец удалось создать тонкопленочные солнечные элементы из перовскита, эффективность которых превышает 10%. Но с тех пор эффективность новых конструкций перовскитных ячеек резко возросла: последние модели могут достигать 20%, все из тонкопленочных элементов, которые (теоретически) намного проще и дешевле в производстве, чем толстопленочные кремниевые панели.

В Оксфордском университете исследователи достигли эффективности 25%. Немецкая исследовательская группа достигла 21,6%, а новый рекорд был установлен в декабре 2018 года, когда Оксфордская лаборатория достигла эффективности 28%.

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии NREL смогла создать композитный кремний-перовскитный элемент, поместив перовскиты поверх кремниевого солнечного элемента, чтобы создать многопереходный солнечный элемент, при этом новый элемент может похвастаться эффективностью 27% по сравнению с 21%, когда используется только кремний.

Но, возможно, более важным является то, что организация смогла повысить долговечность перовскитных солнечных элементов, изменив их химический состав, чтобы преодолеть индуцированную светом фазовую сегрегацию — процесс, посредством которого сплавы, из которых состоят солнечные элементы, разрушаются при воздействии непрерывного света. 

Хорошая новость: ученые видят, что солнечные элементы из перовскита в конечном итоге достигают эффективности около 40%. Другими словами, будущие солнечные элементы могут быть на 50% более мощными, чем лучшие доступные в настоящее время модели.

Недорогие панели из перовскита

Солнечная энергия стала более доступной и распространенной, чем когда-либо прежде, благодаря усовершенствованию технологий, конкурентным закупкам и большой базе опытных международных разработчиков проектов.

По данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии ( IRENA ), производство солнечной энергии в настоящее время полностью конкурентоспособно с электростанциями, работающими на ископаемом топливе, при этом глобальная средневзвешенная приведенная стоимость электроэнергии (LCOE) для солнечных фотоэлектрических элементов коммунального масштаба снизилась на 75% до уровня ниже 10 доллара США/кВтч с 2010 года.

Однако впереди еще много работы.

При LCOE 0,085 долл. США/кВтч для фотоэлектрических элементов и 0,185 долл. США/кВтч для концентрированных солнечных проектов, солнечная энергия (в масштабе коммунальных услуг + жилые крыши) остается более дорогой, чем другие возобновляемые источники, включая гидроэнергетику, наземный ветер, геотермальную и биоэнергетику.

US-MAP планирует решить проблемы, связанные, в основном, с производством и долговечностью, а также решить проблемы устойчивого развития, в основном связанные с использованием свинца и других металлов. Консорциум сосредоточится на финансировании из федеральных источников, а также изучит финансирование из частного сектора.

Короче говоря, солнечные окна обладают огромным потенциалом в качестве источника энергии. Подумайте только, мы могли бы легко генерировать 40% нашей потребности в электроэнергии, если бы на каждой крыше были установлены солнечные батареи. А теперь представьте, что мы могли бы сделать, если бы могли использовать солнечные элементы не только на крышах домов, но и на вертикальных фасадах, таких как стены и окна. Мы можем достичь почти 100% общего производства электроэнергии только за счет встроенных в здания солнечных батарей.