Сфера возобновляемой энергетики приковывает все больше внимания. Особые надежды возлагаются на фотовольтаику — использование энергии Солнца. Ученые из Сколтеха, Института проблем химической физики РАН и МГУ под руководством Павла Трошина, профессора Центра электрохимического запасания энергии, создали свой вариант прорывной технологии — неорганические перовскитные солнечные батареи. Эта технология, выводящая возобновляемую энергетику на новый уровень, уже вызвала ажиотаж на мировом рынке производителей солнечных батарей.
Перовскитами принято называть обширный класс материалов, имеющих тот же тип кристаллической решетки, что и одноименный минерал, получивший свое название в честь российского деятеля Льва Перовского. Перовскиты на основе галогенида свинца не встречаются в природе и впервые получены в лаборатории. Благодаря особому строению своей кристаллической решетки перовскиты — фактически идеальные полупроводники, превосходящие по свойствам даже кремний.
Солнечные батареи, предложенные российскими учеными, дают высокий КПД преобразования света в электричество — 10,5%, причем со значительным потенциалом для дальнейшего увеличения. КПД более привычных кремниевых панелей составляет 18%, но производство и, следовательно, стоимость перовскитных солнечных батарей в несколько раз ниже, чем кремниевых панелей, благодаря использованию жидкостной технологии нанесения — рулонной печати. По этой технологии за одну минуту даже на пилотной линии можно производить до 900 кв. м солнечных батарей.
До недавнего времени ученые разрабатывали гибридные — органо-неорганические — перовскитные батареи. Но гибридные материалы легко подвергаются разложению, что сокращает срок их службы. Наиболее эффективным подходом к созданию стабильных перовскитных материалов представляется полная замена органических катионов (метиламмония, формамидиния) на неорганические. Однако эффективность солнечных батарей на основе неорганических перовскитных материалов долгое время оставалась невысокой по сравнению с их гибридными аналогами. Например, солнечные батареи на основе пленок CsPbI3, полученных осаждением из раствора, показали эффективность преобразования света всего 2–3%. Неорганический перовскит, выращенный учеными Сколтеха путем вакуумного соосаждения йодидов свинца и цезия, обладает более высокой стабильностью, чем предыдущие варианты, и, соответственно, более высокой эффективностью.
Перовскитные солнечные элементы относятся к третьему поколению солнечных элементов наряду с полимерными устройствами, ячейками Гретцеля, батареями на основе квантовых точек и др. Они представляют собой класс еще только развивающихся технологий фотовольтаики Emerging photovoltaics. Их отличие от предыдущих поколений состоит в том, что используются новые материалы — полимерные гибридные и двумерные полупроводники, свойства которых значительно отличаются от уже классических полупроводников, таких как кремний или арсенид галлия.
Прорыв четвертого уровня
По словам Даниила Саранина, инженера центра энергоэффективности НИТУ МИСиС, перовскитные солнечные батареи могут применяться во многих сферах энергопотребления. Наиболее перспективна building integrated photovoltaics, то есть фотовольтаика, интегрированная в структуру зданий. Батареи могут иметь разный цвет, быть полупрозрачными (возможна установка на окнах в качестве элемента декора) и использоваться для питания энергосберегающего светодиодного освещения. В отличие от кремниевых солнечных панелей они легкие и гибкие, и это тоже их несомненное преимущество. Сегодня оценочная стоимость квадратного метра перовскитных солнечных панелей составляет менее 50 долларов, тогда как квадратный метр лучших кремниевых обходится в 300 долларов. При массовом производстве разница станет еще больше.
Кроме того, свойства материала позволяют перестраивать спектр поглощения в зависимости от состава. Поэтому большой потенциал имеет тандемная структура — объединение в одной структуре перовскитной и, к примеру, кремниевой панели. Их спектры могут дополнить друг друга и за счет этого производить больший ток. Такое объединение не приведет к удорожанию, но даст существенный выигрыш в производительности.
Перовскитные неорганические батареи — объект пристального внимания игроков мирового рынка и потенциальных инвесторов (в числе которых химические компании — Merck, DyeSol, BASF). Это вызвано их низкой стоимостью, высокой производительностью и быстрой окупаемостью. Электрический ток, продуцируемый такими батареями, будет дешевле тока от традиционной генерации в областях с большим числом солнечных дней в году. К этому надо добавить маркетинговые инструменты, такие как «солнечный лизинг» — программа кредитования компании SolarCity Илона Маска, благодаря которой экономия от использования солнечной энергии превышает ежемесячные платежи за батареи. Для многих потребителей это привлекательнее, чем единовременный платеж при покупке.
Мировой рынок солнечных батарей сейчас фактически контролируется китайскими производителями. Низкая стоимость батарей, которые китайцы экспортируют по всему миру, привела к множеству проблем у других крупнейших компаний. За последние два-три года о закрытии производства солнечных панелей объявили по меньшей мере четыре немецких бренда. Свое производство панелей свернули и такие гиганты, как Siemens и Bosch. Хотя учитывая, что китайские солнечные батареи стоят, к примеру, почти вдвое дешевле немецких, удивляться нечему. Китай (вместе с Тайванем) занимает 67% мирового рынка.
Исследования по оценке и повышению эффективности солнечных элементов на основе перовскита ведутся во многих странах. Все зависит от того, кто первым сможет найти инвестора и доработать перовскитные батареи, чтобы сделать их коммерческим продуктом и предложить мировому рынку. На это может уйти порядка трех лет.
Прогнозируется, что внедрение солнечных батарей на основе перовскитов в промышленное и бытовое использование в первую очередь произойдет в развитых странах — Швейцарии, Германии, Австрии. Россия только вливается в это направление, но уже есть хорошие результаты в лабораториях НИТУ МИСиС, МГУ, Сколтеха и МИФИ, хотя это разработки в масштабах лабораторных прототипов.
Существенную поддержку проектам в сфере гибридной и органической электроники оказывает «Роснано», целью которой и является масштабирование проектов и запуск производства, но стоит отметить, что для выхода на лидирующие позиции необходима еще большая поддержка от частного сектора и возникновение спроса в России и за рубежом — с учетем того, что на рынке уже есть свои лидеры. Пока что всё на этапе испытаний.
Один из примеров производства фотовольтаических устройств нового типа в России — компания «Хевел» (совместное предприятие ГК «Ренова» и ОАО «Роснано», основано в 2009 году), которая освоила технологию кремниевых гетероструктур HIT с выпуском в промышленных масштабах модулей, по себестоимости и характеристиками не уступающих зарубежным аналогам.
Потенциальные инвестиции в разработку перовскитной технологии должны исчисляться миллиардами долларов, так как она затрагивает многие области, формирующие целую индустрию: синтез и производство полупроводников в промышленных масштабах, приобретение и освоение линий печати тонкопленочных структур, создание мощного аналитического и измерительного парка оборудования.
Сейчас разработка Сколтеха — самая надежная и простая технология. Останется ли она лучшей и завтра — сказать трудно. Исследования ведут ученые из многих стран, работы по перовскитным неорганическим солнечным батареям выходят практически каждый день. Эта разработка дает шанс российским инновационным предприятиям, но, конечно, не дает никаких гарантий.
