Как безопасный метод делает перовскитные солнечные панели доступнее?
Ученые Университета Суррея разработали перовскитовые солнечные мини-модули с эффективностью 18,2%, используя растворители с низкой токсичностью. Новая технология позволяет печатать гибкие панели по принципу газетной печати — быстро, дёшево и без вредных химикатов.
Лёгкие и гибкие перовскитовые ячейки давно называли «убийцей» кремниевых панелей. Но до сих пор их промышленное производство упиралось в опасные растворители. Обычно для создания перовскитовых чернил нужны диметилформамид и ацетонитрил — токсичные вещества, которые угрожают здоровью рабочих и окружающей среде. Одна гигаваттная фабрика может потреблять более 90 000 литров таких растворителей.
Отказ от токсичных химикатов
Исследователи пошли другим путём. Они заменили опасные компоненты на смесь этанола и 2-метилтетрагидрофурана — экологичного растворителя, получаемого из сельскохозяйственных и лесных отходов. Эта формула получила название «значительно сниженная токсичность» (SRT). Она не требует дополнительных антисольвентных стадий, что экономит энергию и материалы.
«Влияние нашей инновации выходит за рамки простой замены опасного растворителя. Процесс на основе нетоксичных веществ и простых методов нанесения сокращает потребность в обращении с растворителями, переработке отходов и соответствующей инфраструктуре безопасности», — отметил профессор Рави Сильва, руководитель Центра наноэлектроники Университета Суррея.
Эти слова подкреплены практикой. Вместо сложных многоступенчатых процессов команда предложила одностадийное покрытие, которое работает при комнатной температуре.
Печать гибких модулей
Для создания панелей использовался рулонный метод барабанного нанесения, совместимый с промышленным производством. Активная площадь напечатанных мини-модулей составила 11,5 квадратных сантиметра. Покрытие наносилось при комнатной температуре, затем быстро высушивалось струёй газа.
Полученные гибкие панели достигли эффективности более 18,2% и сохранили стабильность под непрерывным освещением. Архитектура модулей — инвертированная, с использованием самоорганизующихся монослоёв в качестве дырочно-транспортного материала. Это позволило отказаться от дополнительных промежуточных слоёв.
Для соединения отдельных ячеек учёные применили лазерную обработку P1-P4 — стандартный приём для промышленной интеграции модулей. Технология протестирована с газовой сушкой, но авторы утверждают, что она совместима и с обычными машинами для щелевого нанесения (slot-die), которые уже стоят на фабриках.
Двойная выгода для экологии
Экологичность не помешала производительности. Исследователи сознательно отказались от компромисса между безопасностью и эффективностью. Их растворители на биологической основе быстро высыхают, что критично для высокоскоростной печати. При этом процесс потребляет меньше энергии и не требует строительства сложных систем очистки воздуха и утилизации отходов.
Один из ярких примеров — использование отходов сельского хозяйства и лесопереработки как сырья для растворителя. Это превращает проблему утилизации в ресурс. Стандартная гигаваттная линия, которая раньше выбрасывала огромные объёмы токсичных веществ, теперь может работать на безопасной основе.
Учёные представили результаты в журнале Nano Energy. Они опубликовали подробное описание метода и его промышленного потенциала.
Будущее гибкой энергетики
Появление безопасных чернил открывает дорогу настоящему массовому производству перовскитных панелей. Рулонная печать уже используется в газетной и упаковочной промышленности. Переход на экологичные растворители делает такой подход пригодным для солнечной энергетики в промышленном масштабе.
Что это даст на практике? Уже через несколько лет гибкие перовскитовые модули могут появиться в портативной электронике, встроиться в окна зданий или стать частью сверхлёгких солнечных батарей для космических аппаратов. Вместо хрупких стеклянных панелей — гибкие плёнки, которые можно сворачивать и наклеивать на любые поверхности.
Вопрос в том, каким будет следующий шаг: удастся ли масштабировать технологию до промышленных рулонов шириной в метр и насколько стабильными окажутся панели в реальных условиях годами. А может, кто-то предложит ещё более безопасный растворитель, который полностью исключит токсичные компоненты из производственной цепочки?
