Среди множества научных проблем, над которыми трудятся лаборатории НИТУ «МИСИС», одной из самых актуальных не только с точки зрения фундаментальной науки, но и практического использования является создание нового поколения солнечных батарей. Именно этим занимается лаборатория перспективной солнечной энергетики университета.
Перовскит — с названием этого минерала связаны перспективы нового этапа в развитии солнечной энергетики. В его названии увековечена память царского сановника графа Перовского, увлекавшегося минералогией и организовавшего экспедицию на Урал, в ходе которой перовскит открыли.
Считается, что батареи с его использованием превзойдут по своим характеристикам кремниевые и будут несравнимо дешевле. Естественно, первый вопрос, который хочется задать и.о. заведующего лабораторией перспективной солнечной энергетики Даниле Саранину:
— Перовскита вообще в природе много?
— Ответ не так прост. Нам уже предлагали этот перовскит вагонами отгружать. Только... нам нужен не тот перовскит. Природный минерал — это титанат кальция, СaTiO3. В нашем случае формула сохраняется, как и структура молекулы, но меняются все атомы веществ в этом соединении.
Гибридные перовскиты, которые применяются в солнечной энергетике, это металлоорганические соединения с той же формулой ABX3, где А — это органический катион, В — преимущественно свинец, а в качестве Х3 на конце идёт йод, бром или хлор. Самый высокий КПД на батареях там, где есть сочетание — большая концентрация йода, немного брома и немного хлора. Йод — основа.
Именно благодаря йоду эти батареи сильно поглощают свет видимого спектра от солнца, ультрафиолет. Коэффициент поглощения у них больше, чем у кремния — базы сегодняшней солнечной энергетики. И даже чем у арсенида галлия — это очень эффективная, но крайне дорогостоящая технология, которая сейчас применяется на космических спутниках и в других аналогичных сферах, где денег пока не считают...
Но тут же заключён и недостаток: йод быстро выцветает. Срок службы относительно короткий.
Исполняющий обязанности заведующего лабораторией перспективной солнечной энергетики Данила Саранин.
— А чем вообще кремниевые батареи хуже?
— Вообще, человечество занимается солнечной энергетикой более чем полвека. Но изначально это была дорогая по себестоимости технология. Постепенно она всё более удешевлялась.
Однако, даже начиная с 90-х годов, когда производства массово переместились в Азию с дешёвой рабочей силой и льготными электрическими тарифами для предприятий, выпускающих кремний, себестоимость этого материала остаётся высокой. Без дотаций стоимость выработки солнечной энергии выше, чем, например, энергии АЭС.
Как достичь того, чтобы солнечная генерация окупалась не только в странах, где много солнечных дней, а в любой стране? Для этого надо перейти от использования сверхчистых полупроводников к чему-то упрощённому, стоковому, так сказать. Поэтому уже сорок лет многие компании и институты разрабатывают технологии солнечных батарей, которые можно было бы легко печатать.
Взяли в качестве основы для новых батарей органику — изначально она давала КПД 1%. Впоследствии эта технология быстро упёрлась в свой потолок на уровне 6-7% КПД. У кремния больше 20%. На самом деле, пользователю-то безразлично, какой КПД — его ватты вырабатываемые интересуют.
Что нам говорит показатель 20%? Есть установленный стандарт испытания солнечных батарей. Их испытывают, когда солнце в зените, нет ни облачка на небе, температура +25 по Цельсию. И на квадратный метр площади нашей планеты в таких условиях падает один киловатт солнечной энергии.
То есть батарея из этих 1000 ватт заберёт 200. Должна забрать. Ну а если погода пасмурная или время предзакатное? Показатели уходят вниз. Угольная генерация или атомная регулируемые. Подкинул больше топлива — получил выше выработку. СЭС так не работают.
Ученые МИСИС уже давно занимаются проблемами солнечной энергетики.
Совсем недавно с этим зимой столкнулись в штате Техас, где невероятное количество солнечных дней. Но вот выпал вдруг снег. Чистить солнечные панели некому, генерация ушла в ноль. Была одна ТЭЦ, вся нагрузка упала на неё, и полетели трансформаторы. Коллапс... То есть подобные риски сохраняются.
А нам нужно, чтобы любой житель, любая бабушка могла купить себе задёшево свёрток солнечных батарей, приклеить их на стену дома и наслаждаться электроэнергией, об этих батареях просто забыв.
— И как дальше шёл научный поиск?
— Сперва экспериментировали с сенсибилизированным красителем, позже появились батареи с органикой. Всё это упёрлось в потолок КПД 10–15%. Виден прогресс, всё это полимеры, довольно дешёвые, но выработка энергии с кремнием несопоставима.
И тогда группа японских и британских учёных в десятых годах XXI века переоткрыла для солнечной энергетики галогениды перовскитов. Первый прототип батареи на этих материалах работал всего 6 минут, но сразу дал КПД 6% (напомню, с органикой для достижения аналогичного показателя бились 20 лет).
Это был взрыв в научном сообществе, и за десятилетие КПД перевалил за 20%, практически сравнившись с кремнием. Зато выявилась масса преимуществ: возможность их печати, в том числе на гибкие подложки, обработка при относительно низкой температуре (+100 по Цельсию, тогда как кремний надо обжигать при 400–600 оС).
То есть возникла комбинация высокого КПД и дешёвого производства! Единственное, почему мы их не можем пока купить на рынке, — новые панели живут порядка трёх-четырёх лет, довольно мало. Нужно, чтобы жили 10–15. Собственно, учёные над этим сейчас и бьются.
Опытная панель в МИСИС.
— Но прогресс заметен?
— Важный показатель того, что успех недалёк — исследования начинают финансироваться... гигантами кремниевого бизнеса. Они видят, где будущее, и забирают этот сектор под себя.
Сейчас соревнование идёт уже не по увеличению КПД, гонка — по получению реальных промышленных прототипов. И по отладке всех линий печати на струйных и других принтерах. Потому что напечатать один модуль — куда более простая задача, чем тысячу абсолютно одинаковых.
Ещё раз, в чём главная проблема? Эти панели хорошо работают, потому что там есть йод, но и быстро выходят из строя ровно поэтому же. Йод — сильнейший окислитель. Под действием света, тепла, влаги он начинает активно электрохимически взаимодействовать со всеми тонкими слоями в устройстве.
— Насколько оно тонкое?
— А толщиной примерно 500 нанометров. В десятки раз тоньше человеческого волоса, чтобы было понятнее. Поэтому любой дефект, любая пылинка действует негативно.
Для их печати используют струйные принтеры, промышленные, естественно. На домашнем принтере это не напечатать. Есть иллюзия, что этими панелями можно будет впоследствии чуть ли не стены красить. Красить можно. Но работать будет плохо.
Сложность инженерных решений в этой технологии сопоставима с кремниевыми панелями. Но вот производство требует гораздо меньших инвестиций.
В этой лаборатории создают энергетику будущего.
— Чем конкретно занимается ваша лаборатория?
— Флагманское направление — масштабирование и стабилизация этих перовскитовых батарей. Мы разработали полный цикл печати, а для стабилизации в архитектуру пластин добавляем графеноподобные наночастицы, а также максены, двухмерные карбиды титана, которые нам помогают задавить электрохимическую коррозию.
Также мы сейчас отрабатываем технологию создания детектора ионизирующего излучения на монокристаллах перовскита, которые имеют радиационную стойкость в десятки раз выше, нежели кремний или аналоги.
Наконец, занимаемся низкоразмерными перовскитами, то есть квантовыми точками. Квантовые точки — ноль-мерные полупроводники. Есть кристалл, трёхмерный, есть графеновые «чешуйки» — они двухмерные, лепестки толщиной в один атом; есть совсем тонкие нанонити или нанотрубки — одномерные.
А нуль-мерные — это точки материала диаметром в 5–7 нанометров. Мы их также используем в качестве детекторов радиации, так как при попадании на них ионизирующего излучения они испускают видимый свет. А этот свет считывает умножитель.
— С сырьём для панелей у вас проблем не возникло?
— Лаборатория у нас работает на отечественном сырье и на ключевом промышленном оборудовании, сделанном в России (в Зеленограде, Новосибирске, Петербурге и так далее). Как мы к этому пришли? Сначала покупали иностранное сырьё известных фирм типа «Мерк». Но началась пандемия, поставки усложнились.
Мы стали искать альтернативу в России, и, к приятному удивлению, её нашли. Не отличающуюся ничем, кроме цены, которая оказалась дешевле. Йодиды свинца и прочие компоненты — это либо отходы металлургической промышленности, либо стоковые материалы химической промышленности. Для понимания, сколько этого нужно: на 1 квадратный метр солнечной панели, если все эти тонкие плёнки соскоблить, получится 5 граммов. Расход минимальный.
Могу показать прототип этого модуля — 40% его стоимости составляет стекло. Оно, кстати, не такое уж дешёвое, так что требуется «допилить» эту технологию на стекле, а потом перейти на пластик в качестве подложки. Из ПЭТ, из которого бутылки делают.
Вот это будет мечта: солнечные батареи, которые можно покупать, вообще не задумываясь о цене, продукт для максимально широкого потребления. Масштабирование, стабилизация — во всём этом наша лаборатория находится на мировом уровне. У нас есть множество патентов и статьи в высокорейтинговых журналах, включая «Nature». Держим планку.
Главная цель ученых МИСИС — солнечные батареи, которые можно покупать, вообще не задумываясь о цене, продукт для максимально широкого потребления.
— И какие показатели?
— КПД перовскитных источников в нашей лаборатории — 20,46%. И 4000 часов работы. То есть после этого батарея не разряжается, но КПД падает ниже 80%. Когда будет более 10 000 часов, сможем провести регистрацию батарей. У себя в лаборатории мы создали полный цикл изготовления панелей.
Сейчас ищем партнёров, которые могли бы запустить опытно-промышленное производство, так как при массовом промышленном изготовлении возникают свои проблемы, их нужно выявить и устранить. Сотрудничаем сейчас по этой теме с российским производителем кремниевых батарей, группой компаний «Хевел».
— Новые панели легко будет утилизировать, когда они отслужат свой срок?
— Вред экологии от них минимальный. Да, в них есть свинец, нужно собирать бой стекла или пластика, а потом перерабатывать — как аккумуляторы автомобилей сейчас перерабатывают.
Кстати, эти старые аккумуляторы для нас могут стать источником сырья. Коллеги высказывали даже предположение, что из одного свинцового аккумулятора в 5 кг можно будет получить 100 кв. метров первоскитных панелей. В общем, нет тут большой проблемы.
— А когда выйдете на стандарт в 10 тысяч часов непрерывной работы?
— Над этим сотни учёных в мире работают, у каждого свой подход. Есть такие коллективы и в России, помимо нашего, изучающие проблему с разных сторон. Конкретно мы строим планы в 2025 году на выйти на уровень промышленных, а не лабораторных мелких серий. А на них обкатать все вопросы масштабирования.
Алексей Василивецкий
