Перовскиты

Как сохранить энергию солнца или ветра? Как может измениться стационарная энергетика в будущем? 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.

Солнечная энергетика — это самая возобновляемая из всех альтернативных видов энергетики, потому что в некотором смысле и гидроэнергетика, и ветровая энергетика тоже солнечные. Ведь для того, чтобы вода испарилась, поднялась на более высокий уровень и потом стекла через турбины или подул ветер, необходимо, чтобы или вода, или ветер, или воздух были нагреты солнцем. В этом смысле преобразование солнечной энергии напрямую в электрическую — это, наверное, самый рациональный, прямой способ преобразования энергии солнца в полезную энергию для человечества. Солнечной энергии очень много. То количество солнца, которое доходит до поверхности Земли, в тысячи раз превышает необходимую потребность человечества в энергии. Поэтому солнца очень много, и это действительно бесплатная энергия.

У солнца есть два основных недостатка. Во-первых, у нас есть только полдня, и электричество нужно запасать, если вы хотите использовать его ночью. Во-вторых, плотность этой энергии достаточно равномерно распределена, но в целом низкая, то есть это один киловатт на один квадратный метр, из которого можно с определенным КПД собрать какое-то количество солнечной энергии для преобразования ее в электрическую. Всего за последние 50 лет солнечная энергетика прошла огромный путь становления: 50 лет назад это была область, уделом которой был только космос. То есть крайне специальное применение, очень большая стоимость вырабатываемой энергии. Но последние 15 лет мир наблюдает действительно настоящую революцию, потому что стоимость генерации электричества из солнечной энергии падает многократно, уже более чем в 10 раз. И сейчас стоимость энергии, которая вырабатывается солнечными элементами, сопоставима с рыночной стоимостью классической энергетики, то есть гидроэнергетики, энергии, получаемой при сжигании невозобновляемых ресурсов, таких как газ, уголь. Мы стоим на черте, после которой солнечная энергетика по своей стоимости сможет стать более выгодной, чем энергетика, которая нам привычна.

Перовскитные солнечные элементы — это тип солнечных батарей. Всего солнечных элементов есть несколько десятков видов, принципиально различающихся по физическому принципу, по структуре сборки. И перовскитные солнечные элементы самые молодые из них. Они отличаются тем, что по своей эффективности лабораторные образцы сейчас сравнимы с эффективностью кремниевых солнечных батарей, которые занимают порядка 95% рынка. Но по оценкам перовскитные солнечные элементы при законченной, разработанной технологии их производства будут примерно в два или, возможно, в три раза дешевле, чем кремниевые. Это как раз та цифра, которая позволяет солнечной энергетике перешагнуть экономически целесообразный порог стоимости.

Перовскитные солнечные элементы появились 10 лет назад. Первая публикация, которая была посвящена этой теме, была за авторством японского ученого Коджима. Он отправил эту статью на рецензию всемирно известному ученому Михаэлю Гретцелю, профессору Лозаннской политехнической школы. Необходимо сделать небольшое лирическое отступление. Дело в том, что перовскитные солнечные элементы появились в результате эволюции и последовательных попыток улучшить ячейки Гретцеля. Ячейки Гретцеля — это тоже тип солнечных элементов, которые названы в честь первооткрывателя, их еще называют «сенсибилизированные красителем солнечные элементы», которые профессор Гретцель открыл в начале 1990-х годов. Тогда это была революция, потому что в тот момент солнечные батареи были еще очень дорогими, солнечный кремний стоил очень дорого. И солнечный элемент с КПД порядка 10%, делающийся без кремния из диоксида титана, который крайне распространен, был, конечно, революционным. Эта статья на сегодняшний день является одной из самых цитируемых в мире.

И после своего открытия ячейки Гретцеля эволюционировали, достигли определенного предела КПД, после которого он уже фактически десятилетия не менялся и составлял порядка 13%. В 2009 году японский ученый искал новые способы, как повысить еще больше КПД солнечных элементов гретцелевского типа. В тот момент кремний сильно подешевел, и солнечные элементы перестали быть настолько привлекательными для рынка, как они были, когда их открыли в 1991 году. Коджима предложил использовать новый материал, новое вещество в качестве сенсибилизирующего красителя в гретцелевских солнечных элементах, который бы поглощал свет более эффективно, чем классический краситель на основе рутения. Этим материалом был гибридный органо-неорганический перовскит.

Перовскит — искусственный материал, который синтезируется в лаборатории, он мало имеет общего с природным минералом перовскитом. Солнечные элементы Гретцеля, которые были сенсибилизированы таким новым материалом, показали очень быстрый рост КПД. На сегодняшний день определенные шаги и последовательная эволюция этой области привели к тому, что КПД солнечных элементов на основе перовскитов составляет более 24%. Это уже больше, чем для некоторых типов кремниевых солнечных элементов. Это делает их крайне перспективными, в особенности при учете того, что формирование этих солнечных элементов происходит при температурах, не превышающих 300 °C. А температура плавки кремния, чтобы приготовить солнечный сверхчистый кремний и на его основе сделать кремниевую солнечную батарею, составляет выше 1000 °C, это огромные энергозатраты.

Много ученых во всем мире сегодня тратят усилия на то, чтобы разработать перовскитные солнечные элементы, технологию, которая бы вышла на рынок, получила бы промышленное практическое применение. Потому что в этом случае, конечно, нас может ждать настоящая энергетическая революция, когда структура генерации принципиально изменится и вклад солнечной энергии, которая пока максимум может составлять порядка 30% для Германии, лидера в этой области, может существенно повыситься. Особенно в некоторых локальных регионах, где есть удаленное энергоснабжение, нет собственных энергоресурсов, куда тяжело подводить линии электропередач — в таких местах может действительно произойти революция.

Перовскитные солнечные элементы — это тип тонкопленочных солнечных элементов. Общая толщина устройства — тонкая пленка на носителе, например на стекле, ее толщина составляет менее двух микрометров. Это в десятки раз меньше, чем толщина человеческого волоса. Если вы возьмете в руку солнечный элемент на основе перовскита, то вы будете держать в руках на 99% стекло, на которое этот элемент нанесен. Веса самого солнечного элемента вы не почувствуете. И это определяет несколько его преимуществ и сложностей в работе с такими материалами. Сложность самая очевидная: это действительно наноустройство, потому что это тонкая пленка, которая состоит из нескольких слоев. Центральный слой — это слой перовскита, он поглощает свет. Над ним и под ним расположены тонкие слои электронно-дырочных проводящих слоев, которые селективно вытаскивают, экстрагируют из перовскитного слоя фотоиндуцированные носители зарядов, которые образовались под действием света. Все эти слои имеют толщину порядка от десятков до всего лишь нескольких сотен нанометров. И формирование таких тонких пленок равномерной, одинаковой морфологии и с одинаковыми свойствами на больших поверхностях — это крайне сложная, нанотехнологическая задача.

С другой стороны, большое преимущество перовскитов как тонкопленочных элементов является их удельная мощность. Если посчитать удельную мощность перовскитного солнечного элемента на единицу массы активного слоя, не считая подложки, то по удельной мощности это самые эффективные в мире солнечные элементы среди всех тонкопленочных. Это одна из очень важных ниш, в которых эти элементы могут быть использованы, потому что если разработать подходящую технологию формирования перовскитного солнечного элемента на любой подложке — поверхности полимерной пленки или поверхности металла, — то можно покрывать перовскитным солнечным элементом почти любой объект, например спутник. Масса спутника практически не изменится, но вся его поверхность, покрытая как раз этим солнечным элементом, будет вырабатывать полезную электрическую энергию. Это крайне привлекательное свойство этого класса солнечных элементов. При производстве перовскитных солнечных элементов не используются высокие температуры, их можно в тонкопленочном виде создавать на поверхности полимеров, то есть на поверхности очень легких объектов. Аэростат покрыть перовскитным солнечным элементом гораздо проще, чем сделать это с системой CIGS или кадмий-теллур.

Второй важнейшей областью применения перовскитных солнечных элементов являются тандемные солнечные элементы с кремнием. Если на поверхность кремниевого солнечного элемента, которого в мире более 95%, то часть солнечного спектра будет поглощена слоем перовскита, находящимся сверху солнечного элемента, а оставшаяся часть, которая не интересует перовскит, будет поглощена лежащим под ним кремниевым солнечным элементом. И таким образом КПД такой суммарной структуры будет выше, чем по отдельности и у кремниевого, и у перовскитного солнечного элемента. Это способ расширить возможности кремниевых солнечных элементов, дать им фактически второе рождение. Потому что они уже достигли практически своего теоретического предела по эффективности, и это технология, которая достигла небывалых высот своего развития.

Всего в мире на сегодняшний день перовскитными солнечными элементами занимаются несколько десятков тысяч ученых. Это одна из самых актуальных областей современного материаловедения, современной химии. И с этой точки зрения в России перовскитная солнечная энергетика и перовскитная наука представлены достаточно мало. Фактически есть только несколько групп, которые занимаются этим вопросом на профессиональном уровне. В частности, в Московском государственном университете на факультете наук о материалах моя лаборатория занимается как исследованием фундаментальных свойств перовскитов, так и разработкой новых масштабируемых способов получения такого рода элементов. Несколько лет назад мы разработали технологию, которая позволяет наносить тонкие пленки перовскитов на поверхности с любой кривизной, на любые материалы достаточно большой площади. И это очень хороший задел для того, чтобы в России была сформирована своя независимая технология создания перовскитных солнечных элементов.

Мы плотно сотрудничаем с нашими коллегами из Швейцарии, в частности с профессором Михаэлем Гретцелем, лауреатом нескольких крупных российских премий, в том числе приз Роснано, премии «Глобальная энергия». Мы работаем с нашими коллегами из Японии, Китая. Достаточно плотно вовлечены в международную коллаборацию. И это позволяет нашим сотрудникам, студентам, аспирантам лаборатории, которые учатся на факультете наук о материалах, находиться на переднем крае современной науки и принимать участие в исследованиях передовой области. Это формирует российскую научную школу современной фотовольтаики. Конечно, мы рассчитываем, что в научном прорыве, технологическом прорыве, связанном с солнечной энергетикой, Россия не остается за бортом тех стран, которые этот прорыв возглавят. Мы работаем над тем, чтобы Московский университет был в авангарде этого процесса.