В чем минусы солнечных батарей?
При относительно низком КПД (около 20-25%), их производство стоит очень дорого из-за того, что кремний приходится выращивать в лабораториях. Кроме того, такие батареи достаточно быстро выходят из строя. Сегодня ученые по всему миру работают над новым типом солнечных батарей, в которых вместо кремния будет использоваться гибридный перовскит (органо-неорганический материал). Он также является полупроводником, однако может поглощать больше солнечного света, а делать из него пластины батареи легко и дешево. Дело в том, что перовскит можно наносить практически на любую поверхность и гораздо более тонким слоем, чем кремний. Например, кремний толщиной примерно 180 микрон поглощает столько же света, сколько и перовскит толщиной в 1 микрон. Перспективные свойства этого вещества будут изучаться в новой лаборатории Университета ИТМО.
Для того чтобы создавать для солнечных перовскитных батарей проводящие контакты, эффективно использовать импульсное лазерное осаждение. Это метод переноса вещества с поверхности лазерным импульсом, которое также называется лазерной абляцией. Во время этого процесса лазерный импульс бьет по мишени, и оттуда испаряется вещество. С помощью метода можно наносить проводящие контакты, а также осаждать наночастицы. Благодаря этому исследователи также могут создавать массивы разных нанофотонных структур на основе перовскитов с дополнительными функциями, которые обеспечиваются наночастицами.
Однако сейчас эти два процесса – нанесение перовскита и контактов на солнечную батарею – разнесены в пространстве и времени. Сначала ученые делают первое на одном оборудовании, а потом второе – на другом. Аспирант Университета ИТМО Михаил Омельянович предложил разработать новый аппарат, в котором процессы нанесения перовскита и печать контактов будут совмещены. По его словам, эта идея лежала на поверхности, но пока ее никто не использовал.
Но это не единственная задумка молодого ученого. Он также хочет разместить оба проводящих контакта сзади перовскитного слоя. Дело в том, что верхние контакты размещают прямо над батареей, следовательно, они перекрывают какую-то часть поглощающего вещества, что уменьшает КПД фотоэлемента. Также перовскитные солнечные элементы в толщину не больше микрона, что создает проблему замыкания контактов и усложняет их масштабирование. Кроме того, при размещении контактов сзади и использовании перовскита возможен и другой полезный эффект. При выходе батареи из строя слой полупроводника и других активных элементов можно будет «стереть» и заменить на новый, оставив работающие контакты нетронутыми.
«Здесь делается акцент не на долговечности или 100%-ой эффективности солнечной батареи, а на том, чтобы ее можно было легко и дешево заменить при поломке. А если удастся создать батареи без свинца, то такой способ работы с ними будет еще и экологически безопасным. Кроме того, теоретически возможно использовать такой материал, который можно будет просто смывать с проводящих контактов, а потом снова распылять. Но хотя уже существуют технологии, чтобы создать такую солнечную батарею, есть инжиниринговая проблема. Как совместить эти технологии для того, чтобы батарея была дешевой и эффективной? Какие материалы необходимо использовать, чтобы разработанная в лаборатории батарея была интересна компаниям-производителям?» – прокомментировал Михаил Омельянович.
Например, один из вопросов: какой металл использовать для проводящего контакта? Если брать медь, то будет быстро образовываться оксид, а работать с золотом слишком дорого и хлопотно для массового производства. Также ученые экспериментируют со структурой перовскита, чтобы повысить его КПД. В некоторых случаях удается достигать эффективности в 20%, но в этих смесях могут присутствовать токсичные вещества, с которыми также не будет работать ни один бизнесмен. В других ситуациях исследователям удается сделать экологически чистый и высокоэффективный фотоэлемент, но для этого необходимо использовать какой-либо дорогой метод лазерной печати. Этим тоже не захватишь рынок: использовать дорогое оборудование на производстве просто невыгодно. Поэтому зачастую ученые создают какие-либо образцы фотоэлементов в лабораториях, но разработки так и остаются в стенах научных институтов.
Аспирант Университета ИТМО пытается создать такую перовскитную солнечную батарею, которой можно заинтересовать инвесторов. Сейчас он ведет опытные работы, чтобы методом проб и ошибок найти «золотой» метод создания перовскитного фотоэлемента с задним контактом и с использованием лазерной абляции. С этой идеей молодой ученый выступил на Всероссийском инженерном конкурсе в области нанотехнологий для студентов и аспирантов, который проводился в «Роснано». Одно из главных условий конкурса заключалось в том, чтобы представленные проекты обладали высоким потенциалом коммерциализации. Также конкурс проводился ради поиска идей для реализации наноцентра «Техноспарк», который сейчас формируется в Москве. Победители посетили крупнейший инновационный центр Европы – университет KU Leuven в Бельгии. Кроме аспиранта Университета ИТМО, в Бельгию отправились также по одному ученому из Казанского национального исследовательского университета и Томского государственного университета.
Там российские исследователи ознакомились с тем, как в Европе развивают высокотехнологические компании. Левенскому католическому университету уже почти 600 лет, и сейчас это один из ведущих технологических кластеров в мире. За время существования научного института на его базе было создано около 130 спин-офф-компаний. Победители конкурса «Роснано» побывали в центре нанотехнологий университета, на факультетах биотехнологии, химии, композитных материалов и аддитивных технологий.
«Преимущество KU Leuven в том, что они объединили ученых в области химии, биологии и нанотехнологий в одном здании. Благодаря этому все эксперименты проводятся в одном месте, ученые могут общаться между собой, делиться идеями, и из этих обсуждений появляются открытия мирового масштаба. Кроме того, там очень грамотно организуются спин-оффы. Эти компании работают по заказу университета и для нужд университета. Благодаря этому вуз может требовать именно то качество продукции компании, которое ему нужно. И у компании просто нет иного выбора, кроме как совершенствовать свою продукцию до нужных показателей. Также сотрудники компании могут сразу тестировать свои разработки в вузе. Таким образом, весь цикл работ по созданию какого-либо инновационного продукта происходит в университете. И когда появляется внешний покупатель, KU Leuven может предоставить полный отчет о свойствах этого продукта, продемонстрировать, как он работает. Кроме того, в вузе постоянно ведутся исследования тех материалов, которые они заказывают из внешних источников», – рассказал участник поездки из Университета ИТМО. Он добавил, что у первого неклассического вуза есть все необходимые ресурсы, чтобы создать такой же высокотехнологичный кластер, как и в бельгийском городе.
На заметку: как работают кремниевые солнечные батареи?
Преобразование солнечной энергии в электрическую происходит в подключенных друг к другу фотоэлементах. Они создаются на основе разных веществ в зависимости от целей, но самым распространенным является кремний. В лабораториях выращивают гигантские кремниевые кристаллы, затем разрезают их на тонкие пластины. С одной стороны на них наносят слой фосфора, а с другой – бора. В результате на границах контакта кремния с этими веществами возникают пары «электрон-дырка», то есть с одной стороны пластины электроны находятся в избытке, а с другой – в недостатке. Фотоны света бомбардируют поверхность пластины и вышибают избыточные электроны фосфора к недостающим электронам бора. Появляется электрический ток, то есть упорядоченное движение электронов. Этот ток «собирают» с помощью специальных металлических контактов-дорожек, которые располагаются вдоль фотоэлементов.
