Ученые из Центра Гельмгольца в Берлине уже несколько лет проводят уникальный эксперимент: они тестируют самые разные солнечные элементы прямо на крыше своего здания в Адлерсхофе. Кремниевые панели — это уже привычно, но главные герои их исследований — перовскитные элементы. Это новая и очень перспективная технология, которая обещает высокий КПД при низкой цене производства. Доктора Каролин Ульбрих и Марк Кенкин проанализировали данные за четыре года и опубликовали результаты в престижном журнале. Это самое длинное на сегодняшний день исследование работы перовскитных элементов в реальных уличных условиях.

Оказалось, что поведение этих элементов сильно зависит от сезона. Летом они показывают себя превосходно и стабильно держат высокую эффективность на протяжении нескольких лет. А вот зимой их производительность заметно падает.

Подробности опубликованы в издании Advanced Energy Materials.

В лабораторных условиях крошечные перовскитные ячейки уже достигли рекордного КПД почти в 27%. Их производство недорогое и не слишком сложное, и первые коммерческие продукты на их основе уже появляются на рынке. Но чтобы точно предсказать, сколько энергии они будут генерировать и как долго прослужат на улице, нужно понимать, как они ведут себя под дождем, снегом и при разном освещении.

Команда доктора Ульбрих установила на крыше целые стеллажи с образцами, которые подключены к измерительной аппаратуре. Эти элементы годами находятся под открытым небом, испытывая на себе все капризы берлинской погоды. Проанализировав данные за четыре года по небольшим элементам, запечатанным между стекол, ученые получили обнадеживающие результаты.

Вот как менялась их пиковая мощность:

• За первые два лета показатели практически не изменились.
• Между первым и четвертым летом произошло небольшое снижение мощности примерно на 2%.

Однако общая эффективность преобразования света в электричество зимой оказывалась примерно на 30% ниже, чем летом.

У этого сезонного эффекта есть несколько причин. В Берлине, который находится на относительно высокой широте, спектр солнечного света сильно меняется. Летом в нем больше синей составляющей, а зимой — красной. А перовскитные элементы лучше всего «настроены» на улавливание именно синего света. В странах ближе к экватору, где таких сильных сдвигов спектра нет, их эффективность, вероятно, будет более стабильной в течение всего года.

В отличие от традиционных технологий, перовскитные элементы могут обратимо менять свою эффективность в течение суточного цикла. Это свойство вносит значительный вклад в сезонные колебания, — поясняет Марк Кенкин.

Обработку данных провел аспирант Марко Ремец. Эта работа стала важным шагом к пониманию того, как новые солнечные элементы ведут себя в реальной жизни и какие внешние условия на них влияют.

Польза этого исследования носит фундаментальный прикладной характер. Оно впервые дает долгосрочный и системный взгляд на поведение перовскитов в естественной среде, а не в лабораторном инкубаторе. Это позволяет перейти от восторгов по поводу лабораторных рекордов к решению практических задач:

• Прогнозирование выработки энергии: Инвесторам и проектировщикам солнечных электростанций критически важно точно знать, сколько энергии будет производить панель не только в июле, но и в декабре. Данные из Берлина позволяют строить более точные модели энергоотдачи для регионов с умеренным климатом, закладывая сезонные просадки в расчет окупаемости.
• Оптимизация технологии и локации: Понимание того, что падение эффективности зимой связано со спектральным сдвигом, открывает пути для улучшений. Ученые могут начать работу над новыми составами перовскитов, которые будут лучше улавливать красную часть спектра, создавая «всесезонные» панели. Кроме того, исследование четко указывает, что перовскиты могут раскрыть свой максимальный потенциал не в Германии, а, например, в странах Средиземноморья, Ближнего Востока или Азии, где спектр света более стабилен. Это стратегическая информация для бизнеса.
• Снижение рисков: Долгосрочная стабильность — главный камень преткновения для перовскитов. То, что панели успешно пережили четыре берлинских зимы с минимальной деградацией пиковой мощности, — сильный сигнал для рынка. Он снижает технологические риски и привлекает дальнейшие инвестиции в коммерциализацию.

Главное ограничение исследования — его локализованность. Данные собраны в одной конкретной точке с уникальными климатическими и спектральными условиями (Берлин, умеренный климат, высокая широта). Это не позволяет экстраполировать выводы на весь мир. Эффективность и характер деградации перовскитных элементов в условиях жаркого пустынного климата, тропической влажности или морского побережья с соленым воздухом могут кардинально отличаться. Для получения полной картины необходимы параллельные долгосрочные исследования в других географических и климатических зонах. Пока же мы имеем очень ценный, но все же частный случай.

Ранее ученые создали новую архитектуру для энергоэффективной электроники.