В солнечную энергетику приходит металлоорганика
Мир болен гелиоэнергетикой. Солнечные электростанции (СЭС), гелиопанели на крышах домов, питающие всю бытовую электронику, транспорт на солнечной энергии — это уже не только перспективные исследования, но реальные направления бурно развивающейся промышленной отрасли. Причем Россия в этой области не только не отстает, но прорвалась на самый передний край. Сегодня «Известия» рассказывают о том, что заставляет солнечную энергетику развиваться с головокружительной скоростью, какие перемены нас ждут в жилищном строительстве, из чего будут сделаны солнечные батареи будущего.
Прообразом идеального мира альтернативной энергетики будущего сегодня считается германская Бавария. Солнечная батарея установлена там на крыше каждого дома, а хозяин, который не хочет пользоваться гелиоэнергией, платит отдельный немаленький сбор за эту прихоть. Излишки энергии каждое баварское домохозяйство отдает в общую электрическую сеть и даже зарабатывает на этом.
В Германии обязанность граждан пользоваться солнечной энергией уже закреплена законодательно, но и другие европейцы не отстают. На наших глазах в развитых странах всего мира происходит стремительный переход от топливной энергетики, расходующей природные ископаемые, к использованию возобновляемой энергии, прежде всего солнечной. Совокупная мощность СЭС в мире растет экспоненциально. Рынок требует всё больше и больше солнечных батарей.
Еще несколько лет назад основными производителями гелиопанелей считались Япония, США и некоторые страны Европы. Но сейчас подавляющая часть производства солнечных батарей сосредоточилась в Китае: эта страна долгое время занималась сознательным отраслевым демпингом и добилась успеха на этом пути. Лишь два завода по производству солнечных батарей сохранились в Европе: один в Италии, другой — в России. Завод по производству солнечных батарей компании «Хевел» находится в городе Новочебоксарске и производит как классические солнечные модули, устанавливаемые на ровную поверхность, так и полугибкие и гибкие элементы, которые можно встраивать в любые конструкции.
— По совокупности природно-климатических факторов потенциал развития солнечной энергетики в России в разы превышает запланированные показатели, — рассказал «Известиям» генеральный директор «Хевел» Игорь Шахрай. — Центральная часть России по уровню инсоляции (количеству солнечного облучения) ничем не уступает Германии, — европейскому лидеру в области солнечной энергетики. А огромные территории Урала, Сибири и Дальнего Востока по этому показателю значительно превосходят южноевропейские регионы. Не забудем и про юг России. Волгоградская, Ростовская, Астраханская области, Краснодарский край, Кавказ необыкновенно привлекательны для развития солнечной энергетики: в этих регионах количество солнечных дней в году достигает трех сотен.
По оценке Игоря Шахрая, российские производители, при поддержке на внутреннем рынке, могли бы обеспечить от 1 до 5% мирового производства солнечных модулей, несмотря на чрезвычайно острую конкуренцию в мире.
— Еще два года назад наша страна сильно отставала по эффективности и стоимости новых разработок в области солнечной энергетики, — рассказал «Известиям» директор Научно-технического центра тонкопленочных технологий в энергетике Дмитрий Орехов. — Но благодаря государственной программе поддержки возобновляемой энергетики, вызвавшей в нашей стране стремительный рост производства солнечных модулей, возник спрос на разработку качественно новых технологий и поиск новых материалов.
Несгибаемый кремний
Гелиоэнергетику по технологическому признаку принято делить на два направления — фотовольтаику и концентраторную солнечную энергетику. Последняя означает преобразование энергии светила в электрическую опосредованно, с применением теплового носителя — например, воды. Нагревание носителя с помощью отраженных солнечных лучей приводит в движение генерирующие установки.
Но магистральное направление современной солнечной энергетики — фотовольтаика, технология непосредственного преобразования энергии в электрическую. Она основана на так называемом фотовольтаическом эффекте: при попадании света на некоторые полупроводниковые структуры между их частями возникает разность потенциалов, которую можно использовать для получения электрического тока. Именно этот принцип лежит в основе работы абсолютного большинства СЭС и домашних преобразователей солнечной энергии.
Материалов для фотовольтаики предложено великое множество, но пока самым главным остается кремний — тот самый, который используется для изготовления электронных микросхем. Кремниевая фотовольтаика, опять же, бывает очень разной, но 90% рынка занимают сегодня фотоэлектронные устройства, построенные на кремниевых гетероструктурах: на тонкую подложку из кристаллического кремния наносится кремний аморфный, который хорошо поглощает свет. Между слоями этого бутерброда возникает p-n-переход, как в транзисторе, который с помощью энергии света собирает электроны (отрицательные заряды) в верхнем слое, а дырки (положительные заряды) — в нижнем. Остается только снять это напряжение с помощью электродов и подать его в аккумулятор, накапливающий электроэнергию.
КПД таких батарей, то есть та доля солнечной энергии, которую с их помощью удается превратить в электрическую, составляет сейчас в лабораторных условиях 25–26%, а в реальных коммерческих устройствах — 16–20%. Это очень много: никакая другая технология фотовольтаики к этим показателям пока даже не приблизилась.
Но КПД — не единственный ключевой показатель для солнечных батареек: не менее важна стоимость квадратного метра готового модуля. Для современной батареи, изготовленной по описанной технологии, она составляет в среднем $50–60. Впрочем, основателю компании SolarCity Элону Маску удается продавать сделанную по той же технологии кровлю для «солнечной крыши» аж по $200 за 1 кв. м — такова сила маркетинга.
Утонченные технологии
Главный недостаток описанной кремниевой — мейнстримной — технологии: солнечные батареи получаются очень хрупкими. Панели могут легко треснуть при сгибе или ударе, поэтому для их установки необходимы специальные жесткие алюминиевые рамы и прочный крепеж. Это здорово ограничивает область применения кремниевой фотоэнергетики.
Поэтому пришлось изобрести солнечные батареи второго поколения — основанные на так называемых тонкопленочных технологиях. Ученым удалось найти такие фотоэлектрические материалы, которые можно напылять на гибкую подложку, сгибать ее, придавать ей любую форму без ущерба для функциональности.
Одним из таких материалов оказался классический полупроводник арсенид галлия. Он дает высокий — до 30% — КПД, но увы, чрезвычайно дорог: $30–50 тыс. приходится заплатить за квадратный метр батарейки на его основе. Подобные цены могут устроить разве что космическую отрасль, где крайне важна эффективная солнечная энергетика, а экономия имеет меньшее значение.
Пришлось искать что-нибудь подешевле. Нашли два неорганических соединения — кадмий-теллур и селенид меди-индия-галлия (CIGS). Они дают сравнительно невысокий КПД — 10–15% (в лаборатории — до 20%). Но зато — при возможности их напыления на тонкие пленки — они феноменально экономичны: в полтора раза дешевле кремниевых!
Это второе поколение солнечных батарей — CIGS и кадмий-теллур — уже продается и занимает сейчас те 10% рынка, которые не добирает кремний. Но беда этих технологий в том, что кадмий-теллур токсичен, а индий и селен трудно утилизируются. Поэтому тонкопленочные солнечные батареи — любимая добыча гринписовцев и других защитников природы.
Органический подход
И тут на сцену выходит третье поколение солнечных батарей — устройств, основанных на органических материалах. Им нет еще и 10 лет, они нигде пока не производятся в промышленных количествах. Но динамика научных исследований в этой области позволяет вполне уверенно говорить о том, что будущее фотовольтаики — за третьим поколением, и в первую очередь за фотоэлектрическими преобразователями на основе материала под названием перовскит.
Этот металлорганический полупроводник обладает уникальными оптоэлектронными свойствами: под действием света в нем возникают свободные заряды — положительные (дырки) и отрицательные (электроны). Слой перовскита помещают между двумя транспортными слоями, один из которых отфильтровывает электроны и передает их на катод, другой выделяет дырки и отдает на анод. Так между катодом и анодом возникает электрическое напряжение, которое передается в цепь.
Первый такой элемент был создан японскими учеными в конце первого десятилетия нашего века. Он прожил не более получаса и имел КПД всего 3%.
— В процессе изучения данного соединения и улучшения архитектуры самого перовскита учеными всего мира удалось поднять КПД до 22% менее чем за 10 лет, и потолок еще не достигнут, — рассказал «Известиям» руководитель лаборатории перспективной солнечной энергетики Национального исследовательского технологического университета МИСиС Альдо ди Карло. — У кремния на достижение КПД более 20% ушло лет 40–50.
Стоимость ватта энергии для кремниевых солнечных батарей составляет примерно полдоллара. Ожидается, что для перовскитной фотовольтаики этот показатель составит менее 20 центов. Побеждают перовскиты и по стоимости квадратного метра солнечной панели: менее $20 против $50–60 для кремния.
Перовскитная фотовольтаика сочетает высокий КПД с возможностями тонкопленочных технологий: фотоэлектрический слой можно напылять практически на что угодно, печатая солнечные батареи, как на струйном принтере. Одна беда: перовскиты всё еще остаются недостаточно стабильными. Молекула перовскита быстро распадается под воздействием света. Сейчас срок жизни высокопроизводительной солнечной батареи на основе перовскита составляет не более года.
— Теперь нужно заниматься инженерией молекулы, искать оптимальный состав материала, — пояснил «Известиям» ведущий инженер лаборатории перспективной солнечной энергетики Данила Саранин.
Он напомнил, что когда разрабатывались органические светодиоды OLED, установленные теперь в каждом смартфоне, их срок службы поначалу измерялся чуть ли не секундами. Потом довели его до минут, часов, суток. Сейчас он составляет уже несколько лет. А ведь перовскитная фотовольтаика развивается намного более быстрыми темпами, чем технологии OLED.
По мнению Данилы Саранина, ожидать выхода перовскитных — дешевых, эффективных и технологичных — солнечных батарей на рынок можно уже в начале 1920-х годов, и это будет означать революцию в гелиоэнергетике.
Революция эта коснется в первую очередь градостроительства. Технология печати фотоэлектрических элементов на гибких подложках позволит буквально облепить жилое или офисное здание солнечными батареями со всех сторон. Причем не только снаружи, но и изнутри: энергию внутреннего освещения тоже можно использовать повторно. Если, например, обклеить стены офиса солнечными пленками, как обоями, то вырабатываемой энергии хватит на питание беспроводных устройств, всевозможных датчиков и даже на подзарядку телефонов.
На фасадах же зданий будут развешаны солнечные батареи, как рекламные баннеры. Окна зданий тоже превратятся в солнечные панели: со стороны они будут выглядеть как тонированное стекло, но эта тонировка в дневное время будет производить электроэнергию, достаточную для ночного освещения.
Сегодня суммарное производство солнечной энергии в мире превышает 400 ГВт. В течение следующих пяти лет этот показатель, по прогнозам экспертов, достигнет 1 тераватт (1000 гигаватт). Два ключевых фактора — снижение себестоимости выработки солнечной электроэнергии и повышение эффективности солнечных модулей — сохранят тренд на стремительный прирост новых мощностей солнечной генерации.
