Более 99% энергии на Землю приходит от Солнца. За час Солнце передает на планету энергию, которой хватит всему человечеству на год. Солнечная энергия доступна повсеместно, экологична, колоссальна по объему, может использоваться даже в космосе. Возможность вырабатывать электричество для повседневных нужд из солнечного света звучит заманчиво, но на сегодняшний день мы не можем преобразовать в электричество даже 1% от этого неисчерпаемого ресурса. Почему так происходит? Давайте разберемся.
Коммерческие солнечные батареи
Все видели солнечные панели на основе кремния, состоящие из синих квадратов, где каждый квадрат — одна солнечная ячейка. В нашей стране такие устройства украшают и питают энергией светофоры и скамейки с USB-разъемами в парках. Есть и солнечные электростанции. Самые большие в России — Аршанская в Калмыкии (115 МВт) и Старомарьевская в Ставрополе (100 МВт), строятся и другие. Для понимания: 100 МВт энергии достаточно для питания небольшого города с населением до 100 тыс. При этом по площади такая станция занимает около полутысячи футбольных полей. К счастью, недостатка свободных площадей в России нет.
Производство солнечных панелей на основе кремния — дорогостоящее предприятие. Для изготовления кристаллов кремния высокой чистоты используют метод Чохральского, который ученый изобрел еще в начале XX века, погрузив по ошибке перьевую ручку вместо чернил в расплав олова (с кем не бывает). Для получения кристалла кремния нужно расплавить диоксид кремния (песок) при температуре более 1500 и погрузить в этот расплав готовый кристалл кремния — на него нарастет новый кристалл. Его вытягивают из раствора, нарезают, внедряют примеси, собирают ячейку, сверху наносят проводящую серебряную сетку, ламинируют защитным покрытием, закрывают стеклом. Такое производство стоит дорого и расходует много энергии, поэтому установка солнечных панелей в не самой солнечной России развивается не очень активно.
Дороговизну и недостатки кремниевых панелей преодолевают с развитием новых технологий. Большу́ю популярность получили тонкопленочные солнечные фотоэлементы, в которых активный слой можно наносить из растворов. Есть целое направление так называемой развивающейся фотовольтаики (от греч. фото — свет, и фамилии Алессандро Вольта) — это ячейки Гретцеля, органические солнечные батареи, перовскитные солнечные панели.
Перовскитные фотоэлементы
Особенно привлекательны солнечные батареи на основе перовскитов, которые уже достигли КПД преобразования света 27% — как у кремниевых панелей. Много ли это? Достаточно, ведь эта величина приближается к фундаментальному пределу в 33%. Он обусловлен тем, что любой фотоактивный материал поглощает ограниченную часть солнечного света. Непоглощенная часть спектра при этом теряется и не преобразуется в электричество — такие потери энергии называются спектральными.
В перовскитных солнечных панелях активный слой, в котором при попадании света генерируются заряды, сделан из кристаллов со структурой минерала перовскита. Они состоят из органических и неорганических катионов (A), свинца (B) и галогенов (X) в соотношении, которое можно выразить формулой ABX₃.
Кстати, важная особенность всех устройств развивающейся фотовольтаики — возможность наносить активный слой из раствора. Это дешево, не требует затрат энергии, легко масштабируется с помощью технологий печати и рулонного производства, позволяет создавать легкие устройства на гибких подложках.
В активном слое под воздействием света образуются свободные заряды двух видов — электроны и дырки, то есть отсутствующие электроны. С двух сторон от активного слоя — пленки из материалов, которые избирательно пропускают электроны в одну сторону, и дырки — в другую. Оттуда заряды выводятся к электродам (см. рис. 3), которые тоже сделаны из разных материалов, из-за чего внутри устройства всегда существует разность потенциалов. Обычно один из электродов изготавливают из металла, например, серебра, меди или алюминия, а другой — из оксида индия с добавкой олова. Этот проводящий материал примечателен тем, что он полупрозрачен, и через него бо́льшая часть падающего света доходит до перовскита.
Последние шаги на пути к коммерциализации
Перовскитная фотовольтаика — молодая область, возникшая в 2009 году, когда был зарегистрирован первый КПД такого рода солнечных батарей — 3,8%. С технологией связано еще довольно много нерешенных проблем, которые требуют проработки на уровне исследовательских лабораторий.
В частности, устройства недостаточно стабильны под воздействием внешних факторов, таких, как свет, повышенные температуры, атмосферный кислород и влага. Изучается влияние этих факторов на разные сочетания слоев и на устройства в целом. Причины деградации устройств находят и устраняют с помощью дизайна новых материалов, модификации границ между слоями, применения защитных фильтров и пр.
Кроме того, многие слои — прозрачный проводящий материал, дырочно-транспортный слой, электроды из благородных металлов — занимают весомую статью расходов при производстве устройств. Материаловеды прилагают усилия для решения и этой проблемы за счет замены материалов или более дешевого синтеза.
Прогноз развития перовскитной фотовольтаики: космос, коммерциализация, мелкосерийное производство
Наиболее привлекательным направлением развития перовскитной фотовольтаики является возможное применение в космосе. Дело в том, что диапазон поглощения света в перовскитах можно настраивать, варьируя природу катионов и анионов в составе ABX₃. Таким образом, если взять существующую технологию, которая поглощает свет в определенной части спектра солнечного излучения, и дополнить перовскитом, который преобразует другую часть спектра, можно преодолеть теоретический предел эффективности. Так, лабораторные устройства, сочетающие перовскит и кремний, уже достигли КПД 33,9%, а сертифицированные тандемы перовскит/перовскит показывают до 29,1%.
В целом внимание к перовскитной фотовольтаике во всем мире продолжает расти. Мы находимся на пороге перехода перовскитной технологии с уровня научно-исследовательских лабораторий на уровень создания линий по производству устройств большой площади. В России производством прототипов перовскитных модулей занимаются небольшие стартапы, такие, как «Сансенс» и «Лайт Пауэр Солюшнс», но интерес проявляют и крупные игроки в сфере фотопреобразователей. В других странах сообщается о запуске производств перовскитных модулей на мегаватты мощности, и в отрасли с нетерпением ждут вывода перовскитов на новый уровень.
Для развития перовскитной фотовольтаики в России необходимы программы поддержки, подразумевающие инвестиции в создание линий мелкосерийного производства.
При переходе от лабораторных устройств к преобразователям больших размеров потребление материалов увеличится в тысячи раз. Поэтому важной мерой поддержки является развитие собственных синтетических производств компонентов для перовскитных панелей в формате малотоннажного производства.
Прогресс отечественных научных групп в этом направлении находится на мировом уровне, упорства нам не занимать, поэтому в ближайшие 5 лет мы ожидаем появления мегаваттных перовскитных солнечных электростанций и в нашей стране.
