В Киото ученые из Университета Рицумейкан создали гибкие тонкопленочные солнечные батареи без кадмия. Новая технология оказывает меньше влияния на окружающую среду по сравнению со стандартными батареями и может производиться дешевле. Благодаря этому, такие батареи представляют собой более чистую альтернативу ископаемому топливу.
Фотоэлектрические элементы производят из полупроводниковых материалов, таких как кремний и соединения индия, галлия или кадмия. Теллурид кадмия (CdTe) заменил кремний в последнее время. Он более экономичен, так как лучше поглощает свет даже при слабом освещении. У теллурида кадмия есть два существенных недостатка.
Телур – редкий элемент с истощением ресурсов, что не обеспечивает устойчивое применение данной технологии. Кадмий, являющийся компонентом этой технологии, крайне токсичен для человека и природы, представляя непосредственную угрозу персоналу предприятий по сборке или переработке солнечных панелей. Для решения этих проблем японские учёные разработали экологичный способ производства солнечных батарей без использования кадия – эффективных, безопасных для здоровья и окружающей среды.
Больше эффективности при меньшей токсичности
Эффективное противостояние изменению климата требует отказа от ископаемого топлива и перехода к альтернативным, экологически чистым и возобновляемым источникам энергии. Фотоэлектрическая энергия признаётся одним из наиболее перспективных решений в настоящее время. Согласно данным Международного энергетического агентства, мировое производство солнечной фотоэлектрической энергии к 2021 году достигнет почти 1000 ТВт/ч, что делает её самой быстрорастущей возобновляемой энергией в плане увеличения мощностей. Главным достоинством этой технологии является модульность, позволяющая развертывать её даже в небольших масштабах.
Селенид меди-индия-галлия (CuInGa(Se)2, также известный как CIGSSe) — тип тонкопленочных солнечных элементов, обладающих рядом преимуществ перед традиционными кремниевыми: он примерно в 100 раз тоньше, дешевле в производстве и проще в установке на крышах и транспортных средствах. По сравнению с другими материалами, применяемыми в тонкопленочных солнечных элементах (аморфный кремний, теллурид кадмия и органические материалы), CIGSSe сильнее поглощает свет и поэтому может быть изготовлен в виде более тонкой пленки.
Влияние производства солнечных панелей на окружающую среду все еще вызывает беспокойство, поскольку для их изготовления применяются токсичные материалы и образуется много отходов. Например, ячейки CIGSSe имеют слой из сульфида кадмия, который высокотоксичен и… канцерогеннымПрофессор Джакапан Чантана, Такаши Минемото и их команда приняли решение изменить процесс производства для уменьшения вреда буферного слоя.
Для этого ячейки изготавливали из полупроводников CIGSSe с помощью воздушной высокотемпературной обработки, которая приводит к окислению поверхности. Испытания показали, что окисление поверхности поглотителей CIGSSe после отжига в воздухе улучшает их фотоэлектрические характеристики. Исследователи сообщают об эффективности преобразования энергии, равной 16,7%, в журнале Solar RRL.
Ранее попытки окислить поверхность CIGSSe занимали несколько месяцев. Новый метод Чантаны и его коллег сокращает это время до нескольких часов. Они наносят слой CIGSSe на гибкую подложку из нержавеющей стали. Затем осадок подвергается воздушному отжигу – постепенному повышению температуры, которое используется в промышленности для изменения свойств материалов. В процессе нагрева поверхность CIGSSe окисляется, образуя буферные слои сульфида индия (Inx(O,S)y).
Исследователи создали солнечный элемент из CIGSSe с максимальной эффективностью преобразования энергии 16,7% после шести часов окисления при температуре 130 °C. Эту эффективность удалось достичь после тестирования различных условий окисления. Несмотря на то, что она ниже, чем у обычных солнечных батарей, данный подход является более экологичным. В обычном методе кадий осаждается на слой CIGSSe методом химического осаждения из раствора. Эту стадию исключили, разработав полностью сухой технологический процесс, что снижает количество отходов. «, — объясняет профессор Чантана в .
Процесс остается очень экономичным, что позволяет производить его в больших объемах. За последние годы доля возобновляемых источников энергии заметно возросла во всем мире. Аналитический центр Ember в недавнем отчете указывает, что к 2021 году солнечная и ветровая инфраструктура будет обеспечивать более 10% электроэнергии мира. В целом производство солнечной и ветровой энергии выросло на 17% в 2021 году и прогнозируется рост до 20% к 2030 году. Более эффективные, экономичные и экологически чистые солнечные батареи сделают переход на новые источники энергии еще более успешным.