Как преобразовывать солнечную энергию в электрический ток? Можно ли ездить на солнечном электричестве? Физик Евгений Кац рассказывает о том, что позволяет солнечная энергетика сегодня. В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.
Более тридцати лет я занимаюсь разработкой новых материалов и приборов для преобразования света в электричество, последние двадцать лет — в Национальном центре солнечной энергии в Университете Бен-Гуриона в Израиле. При этом основная часть моих научных интересов находится в области прямого преобразования с помощью полупроводниковых солнечных батарей, или так называемых фотоэлектрических модулей (photovoltaics). В таких приборах слой полупроводника поглощает свет, в результате чего рождаются свободные электронно-дырочные пары и разделяются, если есть встроенное электрическое поле. Таким образом можно генерировать электрический ток, только в данном случае не переменный, а постоянный. И поскольку мы используем преимущественно переменный ток и в промышленности, и в быту, то ставится дополнительный прибор — инвертор, который преобразует переменный ток в постоянный.
Альтернативой такому подходу может служить последовательное преобразование солнечного света сначала в тепло, а затем в электричество (thermo-solar generation). Концентрируемый до высокой интенсивности свет (с помощью так называемых солнечных концентраторов — зеркал или линз особой конструкции) испаряет жидкость, например воду. Полученный таким образом пар вращает турбину и создает переменный ток. Последний этап такого преобразования качественно не отличается от того, как работают электрогенераторы на обычных электростанциях, сжигающих для этого топливо (уголь, газ, нефтепродукты).
. Таким образом мы можем сделать высокоэффективный гибридный прибор с фотоэлектрической панелью. Свет, который не поглощен в ней, будет проходить дальше, приниматься нагревателем воды и создавать пар. При этом будет возможность запаса энергии.
Гибридные установки
Электростанции, использующие одновременно солнечную энергию и энергию ветра, сегодня достаточно распространены. Но это не совсем гибрид. Дело в том, что ветровые установки нельзя поставить близко друг к другу: они просто не будут работать. Таким образом большое количество площади остается неиспользованным. Ее можно занять фотоэлектрическими батареями. С точки зрения использования площади такая станция может называться гибридом, но нужно понимать, что это два типа независимо работающих приборов.
Разновидности фотоэлектрических устройств
Прямое преобразование энергии можно осуществлять разными способами — например, с помощью плоских солнечных батарей большой площади (flat panels), зафиксированных на поверхности земли, крышах домов и так далее. А можно собирать свет не фотоэлектрическими панелями, а уже упомянутыми солнечными концентраторами (solar concentrators) — зеркалами или линзами. Таким образом резко усиливается интенсивность света и уменьшается площадь дорогостоящих полупроводниковых преобразователей. Это так называемая концентраторная фотовольтаика (concentrator photovoltaics, CPV). Сегодня этот способ проигрывает из-за того, что стоимость плоских панелей на основе кристаллического кремния резко уменьшилась за последние несколько лет. И если говорить о масштабном производстве электроэнергии, то, безусловно, в выигрыше способ, преобразующий энергию за счет кремниевых батарей, которые лежат на крыше, в поле или где-то еще. Эта тенденция сохранится, видимо, и в ближайшем будущем.
Продолжаются попытки производить солнечные батареи не из дорогостоящих неорганических полупроводников, таких как кремний или арсенид галлия, а из чего-то совсем дешевого, например из органических материалов (проводящих полимеров, фуллеренов и тому подобного). Действительно, чтобы сделать солнечный кремниевый элемент, нужно получить очень чистый кремний, после чего вырастить дорогостоящий кристалл. Температура плавления и кристаллизации кремния — 1400 °C, то есть необходимо также потратить много энергии на нагревание. Полученный кристалл затем режется на пластины, из которых изготавливаются приборы, в то время как органический солнечный элемент можно просто напечатать на принтере при комнатной температуре. Несложно понять, что для этого требуется гораздо меньше энергии. Более того, органические солнечные элементы легко гнутся и принимают любую необходимую форму. Однако главным тормозом такого направления является то, что эти приборы очень нестабильны. Под действием света, воздуха и температуры их эффективность сильно падает. Для сравнения: кремниевые солнечные элементы сегодня имеют срок службы более 20 лет. Сейчас производство электричества с помощью кремниевых полупроводниковых солнечных батарей — это не мечта, а реальность на уровне производства терраватт электрической мощности с КПД порядка 20%.
Кремниевое направление победило за счет стабильности и высоких КПД. Рекордные значения КПД кремниевых солнечных элементов превышают 26% и практически подошли к теоретическому пределу. Что же дальше?
Солнечные элементы на основе перовскитов
Недавно было открыто семейство новых гибридных органическо-неорганических полупроводников на основе металл-галогенных перовскитов, а затем появились солнечные элементы на их основе. Так же, как и органические солнечные элементы, они могут быть получены из растворов, то есть напечатаны на принтере — в перспективе. При этом такие приборы уже сегодня демонстрируют гораздо более высокую эффективность, чем «органика». Первые солнечные элементы на основе перовскита, полученные в группе японского профессора Цутому Миясака (Tsutomu Miyasaka) в 2009 году[4 ]A. Kojima, K. Teshima, Y. Shirai, T. Miyasaka. Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells. Journal of American Chemical Society, 131, 6050 (2009)., имели КПД меньше 4%, а сегодня он достиг 24%.
Перовскитные приборы можно также совместить с кремниевыми. У каждого полупроводникового материала есть так называемая ширина запрещенной зоны. Фотоны поглощаются только с энергией, которая больше этой ширины запрещенной зоны. Скажем, у кремния ширина запрещенной зоны — 1,1 эВ (электронвольт). Это означает, что кремниевые элементы поглощают только часть солнечного спектра, что ограничивает КПД. Кремниевый солнечный элемент активен в инфракрасной области спектра, а перовскитный — в ультрафиолетовой. Сегодня задача сотен, а может быть, и тысяч лабораторий по всему миру — создать так называемые тандемные (tandem) кремниево-перовскитные солнечные элементы, эффективно поглощающие солнечный свет в широком спектральном диапазоне. Если эта задача будет выполнена, реальны значения КПД преобразования в промышленном масштабе, превышающие 30%.
Главный недостаток этого материала в том, что он крайне нестабилен и быстро начинает деградировать. Чтобы разрешить данную проблему, нужно понять, почему происходит деградация. Один из механизмов нестабильности таких структур связан с ионным характером химических связей в этих материалах[5 ]M. V. Khenkin, K.M. Anoop, E. A. Katz and I. Visoly-Fisher. Bias Dependent Degradation of Various Solar Cells: Lessons for Stability of Perovskite Photovoltaics. Energy & Environmental Science, 12, 550 (2019).. Такую структуру достаточно легко разрушить — светом, теплом, взаимодействием с водой или кислородом воздуха.
С другой стороны, среди исследователей пока даже нет согласия, как количественно оценивать деградацию и стабильность таких приборов[6 ]M. V. Khenkin, K. M. Anoop, I. Visoly-Fisher, Y. Galagan, F. Di Giacomo, B. R. Patil, G. Sherafatipour, V. Turkovic, H.-G. Rubahn, M. Madsen, T. Merckx, G. Uytterhoeven, J. P. A. Bastos, T. Aernouts, F. Brunetti, M. Lira-Cantu and E. A. Katz. Reconsidering Figures of Merit for the Performance and Stability of Perovskite Photovoltaics. Energy & Environmental Science, 11, 739 (2018)..
На мой взгляд, именно работы именно в этом направлении могут привести к революции в широкомасштабном производстве солнечного электричества [7 ]M. A. Green and A. Ho-Baillie. Perovskite Solar Cells: The Birth of a New Era in Photovoltaics. ACS Energy Letters, 2, 822 (2017).. Если, конечно, они увенчаются успехом.
Солнечная энергия для транспорта
У солнечного излучения есть несколько недостатков с точки зрения его преобразования в электричество. На Землю падает свет достаточно малой мощности — как уже упоминалось, всего 1000 Вт/м2. Грубо говоря, если КПД солнечной батареи — 20%, то с квадратного метра такой панели можно произвести всего лишь 200 Вт. Вырабатываемая мощность прямо пропорциональна площади. Поэтому, скажем, делать автомобили или самолеты на солнечных элементах достаточно тяжело. Мощности, полученной от панелей, не хватит на нормальную работу двигателей. Такие машины должны обладать непомерно большими крыльями, чтобы собирать необходимое количество света.
Поскольку мы пришли к тому, что площади самолета или машины недостаточно для их функционирования, то возникает потребность производства топлива с помощью энергии солнца (solar fuels). Исследования в этом направлении, безусловно, перспективны. В то же время сейчас есть большой интерес к электромобилям. Мы не хотим, чтобы машины сжигали бензин и производили CO2, поскольку это вредно с точки зрения экологии. Стоит, однако, задуматься, откуда мы возьмем столько электроэнергии, чтобы подзаряжать батареи, если все машины будут ездить на электродвигателях. Для этого нужно построить новые станции и сжигать больше угля, газа, нефти. Поэтому, безусловно, широкомасштабное внедрение электромобилей должно идти нога в ногу с расширением солнечной энергетики.
О транспортировке энергии
У южных стран больше солнечной радиации, а у северных — меньше. Но при этом все-таки разделение солнечного излучения на Земле гораздо более демократично, чем разделение, например, источников углеводородов. Могу поделиться интересным примером международного сотрудничества в этой области. С 2012 года я являюсь членом Международного экспертного совета при Национальной комиссии по науке и технологическому развитию Чили (Panel of experts for National Commission of Scientific and Technological Research in Chile, CONICYT). На севере Чили есть высокогорная пустыня Атакама, где уровень солнечной радиации один из самых высоких на нашей планете. При этом там производят медь, которая является одним из главных экономических источников страны, а население живет чрезвычайно бедно: еще недавно там практически не было чистой воды. И они стали внедрять солнечное фотоэлектричество, стали мировым лидером по скорости внедрения таких систем. В определенный момент чилийцы достигли перепроизводства электроэнергии. Тогда появилась идея продавать ее за границу. Наиболее удобны в этом отношении соседние Аргентина и Перу. Но с Аргентиной у них есть политические разногласия, исторические обиды друг на друга, а в Перу, оказывается, самое дешевое производство электричества. Тогда была реализована интересная идея: чилийцы днем продают солнечное электричество в Перу, а ночью покупают дешевую перуанскую электроэнергию.
Если когда-нибудь будут открыты высокотемпературные сверхпроводники, эффективно функционирующие при комнатной температуре, то можно будет передавать электроэнергию без потерь. Пока же транспортировка электричества на большие расстояния ограничена. Одно из возможных технологических решений связано с вышеупомянутой возможностью запаса и транспортировки солнечного топлива, например водорода, получаемого электролизом или фотоэлектролизом воды. В последнем случае мы приближаемся к возможности искусственного фотосинтеза (artificial photosynthesis).
Существует также идея создать на геостационарных орбитах солнечную станцию и производить солнечное электричество в космосе. Чем это хорошо? Во-первых, мощность солнечного света там на 30% больше, чем на Земле, потому как немалое количество солнечного света поглощается нашей атмосферой. Во-вторых, там постоянный по времени спектр солнечного света. Электричество, произведенное в космосе с помощью фотоэлектрических батарей, может питать, например, лазер или генератор микроволнового излучения, которые будут посылать монохроматический свет или микроволновое излучение в любую точку Земли. Здесь, на Земле, их будут принимать солнечные батареи или антенны для преобразования микроволнового излучения. КПД преобразования монохроматического света может быть чрезвычайно высоким — до 80%. Такие проекты хотя и продолжают финансироваться рядом государственных космических агентств и частных компаний, но до сих пор остаются скорее в области фантастики — прежде всего из-за высокой стоимости транспортировки грузов на орбиту.
