Источник: Вай-фай.ру
Современная солнечная энергетика в значительной степени опирается на кремниевые фотоэлементы, демонстрирующие эффективность более 20% и способные служить десятилетиями. Однако их высокая стоимость ограничивает массовое распространение. Это стимулирует мировые научные изыскания в направлении поиска более доступных заменителей кремния.
Лев Сергеев
Перспективной альтернативой считаются недорогие тонкопленочные полупроводниковые материалы толщиной около 100 нанометров. Их ключевое преимущество — возможность нанесения из жидких растворов на обширные поверхности с использованием адаптированных технологий полиграфии и обработки полимеров, — считает доктор физико-математических наук и грантополучатель Российского научного фонда Дмитрий Паращук.
Для сравнения: если традиционное кремниевое предприятие выпускает примерно 0,1 миллиона квадратных метров пластин в год, то для производства 10 миллиардов квадратных метров потребуется тысяча подобных заводов и около столетия. В то же время всего десять рулонных установок способны за год нанести тонкопленочный полупроводниковый материал на сопоставимую площадь. Дополнительными достоинствами тонкопленочной фотовольтаики являются малый вес, гибкость, способность быть полупрозрачной и цветной, что открывает новые сферы применения в авиационно-космической отрасли, сельском хозяйстве и строительстве.
Схема гибкой ОСП. (Top electrode — анод, bottom electrode — катод, hole/electron transport layer — вспомогательные слои). Источник
Наиболее динамичное развитие в последнее десятилетие получили исследования в сфере органической и перовскитной фотовольтаики. Лабораторные образцы последней по коэффициенту полезного действия уже сравнялись с кремниевыми аналогами. Перовскитные элементы базируются на неорганических материалах со структурой перовскита, содержащих свинец, галогены и иногда органические компоненты. Однако токсичность свинца создает серьезные экологические риски, препятствующие массовому выпуску таких батарей. Кроме того, и органические, и перовскитные элементы нуждаются в надежной герметизации для защиты от атмосферной влаги и кислорода, что увеличивает итоговую стоимость модуля.
Принципы функционирования солнечных элементов
Основой работы любого фотоэлемента является фотоэлектрический эффект: поглощение света активным слоем приводит к генерации носителей заряда — электронов и дырок, которые затем разделяются и собираются на соответствующих электродах. В неорганических элементах для этого используют p-n-переходы или гетеропереходы. В органических полупроводниках поглощенный фотон обычно рождает не свободные заряды, а связанную пару — экситон. Для его разделения на электрон и дырку требуется дополнительная энергия, что теоретически ограничивает максимальный КПД органических солнечных батарей (ОСБ). Наиболее результативно диссоциация экситонов происходит на гетеропереходах, поэтому активный слой ОСБ обычно формируется из двух материалов — донора и акцептора электронов, объясняет издание «Хайтек».
Конструкция органических солнечных элементов
Органический солнечный элемент (ОСЭ) имеет многослойную архитектуру. Активный слой, ответственный за генерацию зарядов под действием света, помещен между вспомогательными слоями, которые обеспечивают транспорт и сбор зарядов на электродах. Активный слой требует органических полупроводников со следующими характеристиками: сильное светопоглощение, толщина в десятки нанометров, низкая энергия связи экситона, большая длина диффузии экситона и достаточная подвижность зарядов в фазах донора и акцептора. Также материалы пленок должны сохранять стабильность под воздействием тепла, света и химических факторов на протяжении всего срока службы устройства.
Долгое время в роли акцептора в ОСБ преимущественно использовались фуллерены C60, C70 и их производные, обладающие, однако, слабым поглощением света и иными недостатками. Около десяти лет назад началась интенсивная разработка нефуллереновых акцепторов, что к 2024 году позволило приблизить КПД ОСБ к отметке 20%. В этой области лидируют китайские исследователи, проводя масштабные поисковые работы по созданию новых материалов и высокоэффективных элементов.
Для формирования слоев ОСБ конкурируют два метода: жидкофазный («мокрый») — из растворов, и парофазный («сухой») — термическое испарение в вакууме. «Мокрый» метод применим для низкомолекулярных соединений и полимеров, но требует их растворимости. «Сухой» метод подходит только для низкомолекулярных материалов, стабильных при возгонке в вакууме (обычно до 500 °C).
Вопрос стабильности и стоимости ОСЭ
Стабильность — ключевое ограничение, определяющее срок службы ОСЭ. Органические материалы подвержены деградации под влиянием света (особенно УФ-излучения), повышенной температуры, влаги и кислорода. Поэтому для практического использования все типы ОСБ нуждаются в герметичной защите от окружающей среды.
Себестоимость производства — критический фактор для коммерциализации технологии. При отсутствии массового производства точные прогнозы затруднительны. Оценки свидетельствуют, что 60–80% стоимости ОСБ составляют расходы на синтез и очистку материалов, особенно компонентов активного слоя, требующих многостадийных процессов. Поэтому ключевой задачей является разработка более дешевых материалов для активного слоя.
Стоимость непосредственно технологии нанесения («мокрой» или «сухой») пока не является определяющей. «Мокрый» метод потенциально дешевле при масштабировании, так как может использовать существующие рулонные машины полиграфии. «Сухой» метод требует вакуума и нагрева, что увеличивает энергозатраты, и его сложнее адаптировать для рулонного производства. Однако эта технология десятилетиями отработана в микроэлектронике (например, для OLED-экранов) и обеспечивает высокую чистоту и контроль параметров слоев. Вопрос о предпочтительной технологии остается открытым.
Фотовольтаика для помещений
Внутри помещений (офисы, склады, торговые центры) присутствует искусственное или естественное освещение. Его интенсивность в сотни раз ниже солнечного, но его достаточно для питания маломощной электроники: датчиков, гаджетов, RFID-меток, устройств «интернета вещей». Рынок таких решений растет более чем на 30% в год. ОСБ обладают здесь высоким потенциалом. Во-первых, спектр их чувствительности можно настроить под спектр излучения светодиодных или люминесцентных ламп. Во-вторых, условия эксплуатации в помещениях мягче (нет перепадов температуры, УФ-излучения, осадков), что снижает требования к стабильности элементов.
Интеграция в здания
Здания по всему миру потребляют около 40% всей электроэнергии, при этом совокупная площадь фасадов, крыш и окон оценивается в 230 миллиардов квадратных метров. Архитектурно-интегрированная фотовольтаика направлена на использование этих поверхностей для генерации энергии.
КСТАТИ. Исследования, проведённые британской инженерной компанией Frazer-Nash, показывают, что космические системы производства солнечной энергии могут стать конкурентоспособными по стоимости с другими коммерческими источниками энергии уже к 2040 году.