Солнечные батареи из перовскита

«Science » («Наука») – авторитетный еженедельный научный журнал, издающийся в США, в конце каждого года публикует список десяти важнейших научных достижений прошедшего года. В 2013 году в этот список попали последние работы в области фотовольтаики, в частности, исследования применения материала, абсолютно нового в солнечной электроэнергетике – перовскита. Уже первые образцы перовскитных солнечных батарей показали достаточно обнадеживающие результаты – эффективность их составляла 15%.

Но это были первые опыты. Начались исследования, поиски новых технологий, новых компонентов, новых оптимальных решений. Ведь перовскитные солнечные батареи намного дешевле кремниевых, а если добиться их высокого коэффициента полезного действия, то это станет настоящим прорывом в области альтернативной энергетики.

Так что же это за чудо-материал, который вот так неожиданно оказался в центре внимания ученых, исследователей во всем мире, работающих в области солнечной фотовольтаики? Да и не только в ней, но и в области физики полупроводников, промышленной радиоэлектроники. Оказывается, перовскит известен уже более полутора веков. Его открыл немецкий минералог и геолог Густав Розе в 1839 году, исследуя минералогию и структуру Уральских гор.

Перовскит – это название Густав Розе дал вновь открытому минералу в честь графа Льва Алексеевича Перовского, чья великолепная минералогическая коллекция была известна специалистам во всем мире. Выдающийся государственный деятель граф Л.А. Перовский финансировал и экспедицию немецкого геолога, поскольку понимал, что Уральские горы – это настоящая сокровищница различных минералов, которые можно будет использовать не только в ювелирном деле.

Минерал перовскит

«Science » («Наука») – авторитетный еженедельный научный журнал, издающийся в США, в конце каждого года публикует список десяти важнейших научных достижений прошедшего года. В 2013 году в этот список попали последние работы в области фотовольтаики, в частности, исследования применения материала, абсолютно нового в солнечной электроэнергетике – перовскита. Уже первые образцы перовскитных солнечных батарей показали достаточно обнадеживающие результаты – эффективность их составляла 15%.

Но это были первые опыты. Начались исследования, поиски новых технологий, новых компонентов, новых оптимальных решений. Ведь перовскитные солнечные батареи намного дешевле кремниевых, а если добиться их высокого коэффициента полезного действия, то это станет настоящим прорывом в области альтернативной энергетики.

Так что же это за чудо-материал, который вот так неожиданно оказался в центре внимания ученых, исследователей во всем мире, работающих в области солнечной фотовольтаики? Да и не только в ней, но и в области физики полупроводников, промышленной радиоэлектроники. Оказывается, перовскит известен уже более полутора веков. Его открыл немецкий минералог и геолог Густав Розе в 1839 году, исследуя минералогию и структуру Уральских гор.

Перовскит – это название Густав Розе дал вновь открытому минералу в честь графа Льва Алексеевича Перовского, чья великолепная минералогическая коллекция была известна специалистам во всем мире. Выдающийся государственный деятель граф Л.А. Перовский финансировал и экспедицию немецкого геолога, поскольку понимал, что Уральские горы – это настоящая сокровищница различных минералов, которые можно будет использовать не только в ювелирном деле.

Минерал перовскит

Перовскит представляет собой минерал преимущественно черного или красновато-коричневого цвета с оригинальной структурой кристаллической решетки. Он богат содержанием примесей титана, ниобия, железа, церия, кальция, тантала. Структура перовскита настолько уникальна, что на ее основе были созданы высокотемпературные сверхпроводящие материалы, ионные проводники, а также некоторые материалы, обладающие свойствами полупроводников. В результате исследований и многочисленных экспериментов в разных странах удалось получить материалы с так называемой перовскитной структурой, причем материалы эти были представлены в различных модификациях – от нанопленок до нанонитей.

Солнечная ячейка на базе тонкопленочного пероксита

Интерес к развитию солнечной электроэнергетики резко возрос в последние годы. Только в 2014 году суммарная мощность солнечных электростанций во всем мире достигла значения в 185 гигаватт, увеличившись по сравнению с 2013 годом на 47 гигаватт. Таким образом, доля солнечных электростанций в мировом производстве электроэнергии превысила три процента.

А ведь всего три года назад, в 2010 году суммарная мощность всех солнечных электростанций мира составляла всего 70 гигаватт. Причина такого бурного роста одна: с появлением новых технологий и совершенствованием солнечных батарей резко снизилась стоимость последних. Практически эта стоимость упала более чем в пять раз, а эффективность лучших серийно выпускаемых образцов увеличилась до 20%. Это привело к тому, что, например, в США один киловатт, производимый на солнечных электростанциях, в 2014 году стоил всего 7.2 цента, то есть стал дешевле электричества, производимого электростанциями, работающими на угле.

Прогнозируется, что в течение примерно пяти лет цена киловатта солнечной электроэнергии уменьшится более чем на 25%, и, таким образом, солнечное электричество станет дешевле того, которое вырабатывается на газовых электростанциях.

Прогнозы эти называют осторожными, потому что они были сделаны без учета того, какое место в гелиевой фотовольтаике займут перовскитные солнечные батареи. В конце 2014 года в Южной Корее, в институте химической технологии, были получены перовскитные солнечные элементы с коэффициентом полезного действия, равным 18%. По этому показателю перовскитные батареи сравнялись с серийными кремниевыми фотопреобразователями. А вот стоимость этих новых батарей была значительно ниже стоимости традиционных гелиевых панелей.

Солнечная панель с пленкой из галогенида перовскита

Продолжая исследовательские работы в этом перспективном направлении, прогнозируя его развитие, ученые пришли к выводу, что в ближайшие пять–десять лет эффективность перовскитных элементов может быть увеличена до 30%.

Единственное, что в настоящий момент не позволяет запустить перовскитные батареи в промышленное производство, – это сравнительно невысокие показатели устойчивости к перегреву и восприимчивости ультрафиолетового излучения. Тем не менее ученые продолжают работать в этом направлении, и лабораторные эксперименты уже дали результаты, которые позволяют говорить о живучести перовскитных батарей не менее 25 лет.

Получение эффективных и дешевых солнечных батарей занимает сейчас ученых во всем мире. Лучшие лаборатории работают над тем, чтобы максимально использовать энергию солнца, уменьшить зависимость от органических ископаемых источников энергии. В Швейцарии перовскитными солнечными батареями занимается профессор Михаэль Гретцель, руководитель исследовательской лаборатории в Федеральной политехнической школе в Лозанне.

Было бы удивительным, если бы этой проблемой не заинтересовались и российские ученые. К исследованиям в этой области подключились специалисты двух факультетов МГУ. Совместно со швейцарскими специалистами во главе с Михаэлем Гретцелем в 2015 году были начаты работы в рамках российско-швейцарского проекта в области перовскитного фотоэлектрического преобразования.

Нитевидная структура перовскита

В ходе работ был изучены основные принципы и условия формирования перовскитных структур в виде нанонитей. Почему именно нанонити? Да потому, что по расчетам ученых именно перовскитные нанонити являются наиболее перспективными для создания солнечных батарей.

Органо-неорганические материалы, имеющие перовскитную структуру, – это совершенно новая форма фотоэлектрических преобразователей. Впервые такая ячейка была получена в Швейцарии в 2009 году. Ее эффективность была чрезвычайно мала – около 3.5%. Но сейчас, после целого ряда успешных исследовательских работ, эффективность таких ячеек возросла в несколько раз и составляет на текущий момент порядка 22%. А чрезвычайно простая и очень экономичная технология производства этих гелиевых ячеек открывает широкие перспективы их применения и мощной конкуренции кремниевым фотопреобразователям.

В результате совместных исследований и экспериментов, проведенных российскими и швейцарскими учеными, была предложена принципиально новая методика получения перовскита с нитевидной морфологией. Исследователи впервые в мире экспериментально проследили образование протяженных нанонитей, превращающихся на последующих этапах в перовскит, но с нитевидной структурой. Именно это и легло в основу создания технологии получения солнечных перовскитных батарей.

Солнечная перовскитная панель

По мнению многих видных ученых, которые работают в области солнечной фотовольтаики, новые бескремниевые солнечные батареи вне всякого сомнения имеют большое будущее. А прогнозируемое снижение более чем в семь раз стоимости одного киловатта солнечного электричества по сравнению с нынешними ценами открывает самые широкие перспективы для развития гелиевой электроэнергетики.