Солнце – один из самых мощных источников энергии на Земле. До планеты доходит лишь малая часть энергии, которую излучает звезда, однако это в 20 тыс. раз превосходит годовое потребление энергии людьми. До сих пор человечество не могло найти эффективный и дешевый способ сбора этой энергии, однако сейчас в МИСИС создали перовскитные солнечные батареи, которые решили многие проблемы солнечной энергетики: от высокой цены до работы в разных погодных условиях. Подробнее об инновационном материале рассказала «Газета.Ru».
Солнечные панели из кремния, активно применяющиеся сейчас в возобновляемой энергетике, были в свое время революцией на рынке солнечных батарей. Этот тип солнечных элементов занимает около 95% современного рынка, однако несмотря на распространенность он имеет минусы. Эти батареи не могут работать в условиях низкой освещенности, а также в облачную или туманную погоду. Такие панели будут просто бесполезны, например, в Арктике и на Крайнем Севере, – они просто не смогут уловить солнечные лучи в достаточном количестве для производства энергии.
Кроме того, кремниевые элементы достаточно дорогие. Еще одна проблема – габариты таких солнечных батарей. Для их размещения требуется достаточно много места. Конечно, сейчас ведутся разработки по созданию кремниевых панелей, которые бы не имели вышеперечисленных минусов. Однако есть путь проще: использовать другой материал – минерал перовскит, который решает все эти проблемы.
«Ученые пытались найти альтернативу кремнию начиная с 80-х годов прошлого века. И только сейчас солнечная энергетика более или менее может конкурировать в некоторых сферах с топливной и атомной.
Переход на новую технологию, к примеру на перовскиты, при том же высоком КПД обещает кратно снизить себестоимость за счет применения дешевых материалов и упрощенного цикла печати. Производство монокристаллического кремния и печать перовскитной пленки по себестоимости просто несопоставимы — цена перовскита в 2,4 раза меньше в сравнении с кремниевой», – объяснил «Газете.Ru» заведующий лабораторией перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС Данила Саранин, который руководит разработкой перовскитных солнечных панелей.
Поймать лучи без солнца
Перовскит или титанат кальция – один из самых распространенных на Земле минералов. Он представляет собой кристаллы со псевдокубической (нарушенной кубической) структурой. Именно она дает материалу те специфические свойства, которые позволяют использовать его для «поимки» солнечных лучей и выработки из них энергии.
«Перовскиты бывают разные, мы используем гибридные галогенидные перовскиты. Это металлоорганические соединения, которые в себе содержат йод. Это не пластина, из которой делают чипы или привычные нам полупроводниковые приборы, как из кремния, а ультратонкие пленки, — тоньше человеческого волоса. То есть если волос имеет толщину около 40 микрон, то перовскитные пленки около 0,5 микрона. Кроме того, такие пленки можно напечатать методом, похожим на то, как работает струйный принтер. Это большой плюс на фоне кремниевых батарей, требующих сверхчистого кремния, вакуумных камер и очень непростого процесса его осаждения на подложку. Однако все равно для печати требуется специальное оборудование», — рассказал Саранин.
После печати такие пленки послойно накладываются друг на друга. Несколько слоев перовскитов эффективно поглощают свет и переводят его в энергию. По словам инженера, сотрудника лаборатории перспективной солнечной энергетики МИСИС Павла Гостищева, перовскитная панель представляет собой 16 отдельных перовскитных модулей 100 на 100 мм, объединенных в одну электрическую цепочку.
«Перовскитный модуль имеет слоистую структуру из различных материалов, которые поглощают свет, преобразуют его в электричество и распределяют заряды таким образом, что получается электрический ток. Основным слоем солнечного модуля является фотопоглощающий слой гибридного металл-органического перовскита. Именно в этом слое происходит поглощение света и образование электрической энергии», – рассказал Гостищев.
Помимо фотопоглощающего слоя в структуре панели есть транспортные слои, которые позволяют транспортировать положительные и отрицательные заряды перовскитного слоя в определенном направлении к электродам.
«Перовскитный слой поглощает видимый свет и свет превращается в электрические заряды (положительные и отрицательные). Слои сверху и снизу перовскита подобраны таким образом, чтобы собирать только один тип зарядов и передавать к контактам солнечного модуля. Таким образом заряды, полученные из поглощенного света разделяются и направляются из солнечного модуля. Это и создает электрический ток, который способен питать различные устройства», – объяснил инженер.
Пока мощность такой панели составляет 7 Вт, то есть она может обеспечить работу одной лампочки, но в будущем этот показатель можно нарастить.
«Хорошая солнечная панель должна выдавать 100-150 Вт, и в будущем мы перейдем к таким мощностям. Сейчас мы выполнили основную задачу — показали полноформатное работающее изделие. Дальше мы будем увеличивать плотность расположения ячеек, снижать площадь мертвых зон. И постепенно двигаться к показателям 10, 50, 70 Вт. Не пройдет нескольких лет, как мы перейдем и к мощности в 150 Вт», — рассказал Саранин.
За счет содержания йода в составе такие солнечные панели поглощают свет сильнее, чем кремний, по словам Саранина, примерно в 10 раз.
«Это значит, что в одной ультратонкой пленке толщиной полмикрона мы можем генерировать такое же количество энергии из солнечного света, как и в кремниевой пластине толщиной 200 микрон. При этом перовскит в 400 раз тоньше, что позволяет нам перейти на следующий уровень и сделать такие пленки на гибкой подложке. То есть в будущем у нас будут ультрадешевые, гибкие, рулонные, солнечные батареи. Мы занимаемся и их разработкой тоже, но пока такие работы не в приоритете», — отметил Саранин.
Это же свойство позволяет панелям улавливать свет в условиях низкой освещенности: во время снегопада, тумана, сильной облачности и других погодных условиях.
«В вечернее время, в пасмурную погоду кремниевые батареи уже не могут улавливать достаточное количество солнечного света. Наши панели всепогодные. Это не значит, что они будут генерировать киловатты энергии ночью или темным, поздним вечером. Тем не менее в отличие от кремниевой в условиях низкой освещенности перовскитная солнечная панель сможет запитать маломощную энергетику: небольшие батарейки, беспроводные датчики, узлы связи и прочие устройства», — отметил ученый.
А минусы есть?
В дополнение к преимуществам, у перовскитных фотоэлементов есть и недостатки. Дело в том, что йод может быть химически нестабильным при контакте с водой и кислородом. Из-за окисления он может быстро деградировать, разрушая всю структуру перовскита.
«То, что мы уже сделали, не означает, что завтра наша стартап-компания заполнит все магазины солнечными батареями. Для достижения этой цели нам предстоит решить три важные задачи. Во-первых, необходимо окончательно подавить любые эффекты выцветания наших материалов, которые возникают из-за содержания йода внутри. Йод начинает взаимодействовать со многими компонентами структуры солнечной батареи, что приводит к коррозионным эффектам», — отметил физик.
По его словам, эту задачу решили — ученым удалось адаптировать применение эластомеров для ламинирования панели, обеспечив устойчивость к внешним воздействиям.
Вторая задача — это решение проблемы широкоформатной печати. Методика, которая применяется сегодня для печати батарей, дешевая и может допустить дефекты при печати шириной в метр или два.
«Мы должны придумать, как сделать так, чтобы на полотне стекла такой большой ширины не было ни одного микродефекта, который негативно повлиял бы на работу солнечной батареи. С одной стороны, замечательно, что мы используем такую дешевую технологию печати. С другой стороны, нам предстоит решить, как на этом несовершенном методе получить максимальную однородность и воспроизводимость. Высокотехнологичные методы всегда связаны с вакуумом, высокими температурами и использованием плазмы, и переход на них сделает конечный продукт дорогим, и тогда вся история о перовскитах, которые можно печатать, может уйти в небытие», — отметил Саранин.
И наконец, ученым нужно масштабировать производство с автоматизацией. Сегодня для производства образцов таких солнечных панелей частично используется ручной труд, в будущем производство должно быть полностью автоматизированным.
Будущее зеленой энергетики
«Хотелось бы сказать, что солнечные батареи — это источник энергии, который может заменить все другие источники. Однако это лишь романтический взгляд на индустрию. Даже если мы подтвердим все характеристики и получим все необходимые сертификаты, пройдя все типовые испытания, мы не сможем в одночасье отказаться от других источников энергии. Система энергообеспечения на основе солнечных батарей достаточно дорогая, поэтому необходимо значительно снизить ее себестоимость. Однако у этой технологии высокий потенциал, и темпы ее развития значительно возросли. Тем более что все материалы, из которых мы делаем панели, полностью отечественные. Это также решает вопрос импортозамещения», — отметил Саранин.
По его словам, перспективным также является тандем кремния и перовскитов. Такие батареи сложнее в производстве, но гораздо эффективнее.
«В этом случае на кремниевую панель печатается перовскитная приборная структура. Перовскит поглощает свет в синей и зеленой частях спектра, а кремний — в красной и инфракрасной. Таким образом, эффективность тандема не 1+1=2, а примерно 1+1=1,8. Однако благодаря тому, что перовскиты очень дешевые, надбавка по стоимости не очень большая, а прирост КПД существенный. В наземных условиях можно получать КПД более 30%, что имеет большое значение для мегаваттных солнечных электростанций», — заключил физик.
Сейчас ученые активно взаимодействуют с российским научно-техническим центром тонкопленочных технологий группы компаний ХЕВЕЛ — именно они станут отправной точкой для входа перовскитных солнечных панелей на российский рынок. Предприятия, внедрившие такие солнечные батареи, смогут снизить углеродный след, увеличить энергоэффективность и соответствовать стандартам устойчивого развития возобновляемой энергетики в стране и импортозамещения. Все материалы для прототипирования перовскитных модулей предоставлены только российскими компаниями. По оценкам разработчиков, в ближайшие 3 года можно перейти к опытному производству.