Японские разработчики добились заметного прогресса в создании перовскитных солнечных элементов нового поколения. Совместная разработка Toshiba, Shin-Etsu Chemical и Университета Ниигаты выдержала 3000 часов ускоренных испытаний при температуре 85 °C и влажности 85%. Для сравнения, у ранее представленных китайскими разработчиками решений при сопоставимых условиях сообщалось примерно о 2000 часах. Таким образом, результат японской команды оказался примерно в полтора раза выше.

Разработка может оказаться особенно важной для Японии в следующем десятилетии, когда начнётся массовая замена солнечных модулей, установленных после запуска программы стимулирования солнечной энергетики в 2012 году. Страна рассчитывает использовать этот момент для развития собственного производства перовскитных панелей и снижения зависимости от зарубежных поставщиков. Государственная стратегия предусматривает установку около 20 ГВт перовскитных солнечных мощностей к 2040 году.

Перовскит и кремний объединили в одной ячейке

Разработка японского консорциума относится к тандемному типу солнечных элементов. В такой конструкции перовскитный слой работает совместно с традиционным кремниевым.

Смысл подобной комбинации заключается в более эффективном использовании солнечного излучения: материалы поглощают разные части его спектра. В результате тандемная конструкция потенциально способна вырабатывать больше электроэнергии с той же площади, чем обычная кремниевая панель.

Для Японии это особенно актуально из-за ограниченного пространства для строительства крупных солнечных электростанций. В национальной энергетической стратегии повышение эффективности панелей рассматривается как один из способов наращивания солнечной генерации без пропорционального увеличения занимаемой территории.

Главная проблема перовскита — долговечность

Высокая эффективность перовскитных элементов известна давно, однако коммерциализацию технологии сдерживает сравнительно небольшой срок эксплуатации. Особенно негативно на материал воздействуют высокая температура и влажность.

Именно на решении этой проблемы сосредоточились японские специалисты. Toshiba занималась непосредственно солнечными элементами, тогда как Shin-Etsu Chemical и Университет Ниигаты работали над их защитой.

Для изоляции чувствительного перовскитного слоя разработчики применили синтетический каучук с компонентами, способными поглощать влагу. Такая оболочка должна уменьшать проникновение воды внутрь элемента и замедлять деградацию материала.

3000 часов в экстремальных условиях

Получившийся прототип продемонстрировал стабильную генерацию в течение 3000 часов при температуре 85 °C и относительной влажности 85%.

Это не означает, что панель рассчитана всего на 3000 часов обычной эксплуатации. Речь идёт об ускоренном стресс-тесте, при котором устройство намеренно помещается в значительно более тяжёлые условия. По результатам подобных испытаний разработчики оценивают потенциальную долговечность оборудования при нормальном использовании.

Цель японских компаний — довести ресурс будущих коммерческих перовскитных решений примерно до 20 лет. Это важный рубеж: существующая разница в долговечности между перовскитом и кремнием остаётся одной из проблем тандемной конструкции. По данным Yano Research Institute, срок эксплуатации кремниевого нижнего слоя составляет около 20 лет, тогда как современный перовскитный верхний слой пока служит примерно вдвое меньше.

От миниатюрного образца до промышленной панели

Пока технология находится на лабораторной стадии. Площадь испытанных тандемных элементов составляет всего 25 мм², поэтому непосредственно переносить полученные показатели на полноразмерные солнечные модули ещё рано.

Следующей серьёзной задачей станет масштабирование технологии. Разработчики рассчитывают сохранить необходимые характеристики уже на элементах площадью свыше 250 см². Именно способность воспроизвести лабораторные результаты на больших площадях и затем организовать массовое производство станет одним из ключевых условий коммерческого успеха.

После 2030 года Японии потребуется много новых панелей

Время для выхода технологии на рынок выбрано неслучайно. В 2012 году Япония запустила систему стимулирования возобновляемой энергетики, после чего установка солнечных панелей резко ускорилась.

Типичный срок эксплуатации фотоэлектрических модулей составляет порядка 20–30 лет. Поэтому уже в следующем десятилетии значительная часть установленных тогда систем приблизится к возрасту замены. Yano Research Institute ожидает заметное формирование такого спроса примерно с 2032 года.

Для японских производителей это возможность вернуть себе часть внутреннего рынка, где им приходится конкурировать с крупной китайской солнечной промышленностью.

Японские компании готовят сразу несколько технологий

Работа Toshiba и её партнёров — лишь одно из направлений развития отрасли. Государственная программа Японии включает проекты нескольких крупных производителей.

Kaneka занимается высокоэффективными и долговечными тандемными элементами, а Choshu Industry разрабатывает технологию массового производства перовскитно-кремниевых модулей большой площади. Оба направления входят в японскую программу разработки и демонстрации солнечных элементов следующего поколения.

Choshu Industry ставит перед собой цель получить панели со сроком эксплуатации более 20 лет и эффективностью свыше 30% к 2030 финансовому году. Для Kaneka одним из долгосрочных ориентиров называется эффективность свыше 40% к 2035 году.

К 2040 году Япония хочет получить 20 ГВт

Перовскитные элементы постепенно становятся частью государственной энергетической стратегии страны. Япония намерена создать гигаваттные производственные мощности уже к началу следующего десятилетия, а к 2040 году довести установленную мощность перовскитной солнечной генерации примерно до 20 ГВт.

Правительство также рассчитывает постепенно снижать стоимость такой электроэнергии. Один из ориентиров на 2040 год — примерно 10–14 иен за кВт·ч.

При этом отраслевые прогнозы несколько осторожнее государственных планов. Исследование Yano Research Institute предполагает, что совокупная мощность перовскитных систем в Японии к 2040 финансовому году может составить около 12,5 ГВт, если развитие рынка пойдёт по текущему сценарию.

Поэтому испытание японского прототипа пока нельзя считать победой над китайской солнечной промышленностью или готовым коммерческим прорывом. Но увеличение долговечности — важный шаг: если разработчикам удастся сохранить этот показатель после масштабирования ячеек и запуска массового производства, перовскитно-кремниевые панели смогут стать реальной альтернативой традиционным солнечным модулям.