Главным недостатком солнечных батарей является их стоимость. Подавляющее большинство солнечных элементов на действующих гелиоэнергетических станциях изготовлено на основе кремниевых полупроводников. Хотя это стандартная и давно освоенная технология, стоимость "солнечного" электричества все еще выше, чем на тепловых электростанциях (разброс оценок довольно широк, в большинстве из них получается разница в 3-5 раз).
Поэтому солнечные батареи используются пока либо там, где они незаменимы (в космических аппарата), либо в регионах с большой инсоляцией, либо как вспомогательный источник энергии. Поэтому же главная задача ученых в этой области — снижение стоимости гелиоэлектричества до уровня традиционных источников.
Солнечная батарея из двух Нобелевских премий
Одна из наиболее перспективных разработок — создание солнечных элементов на основе принципиально новых некристаллических материалов. Примером таких новых материалов может служить пара полимер (а именно, полупроводящий сопряженный полимер) и фуллерен.
Молекула полупроводящего сопряженного полимера является донором, то есть при поглощении света она отдает электрон, а молекула фуллерена, акцептор, забирает электрон. Фуллерен — один из самых эффективных молекулярных акцепторов. Оба материала очень хорошо растворяются в органических растворителях, а значит, из них можно изготовить "солнечные чернила" и наносить методом печати на любые, в том числе и гибкие, подложки любой площади.
Разделение зарядов происходит на границе между донором и акцептором. Чтобы элемент был эффективным, расстояние между такими границами должно быть порядка 10 нанометров. Поэтому такие элементы называют наноструктурированными.
Пока КПД новых солнечных элементов гораздо ниже, чем у лучших традиционных: около 8% против 24% (это данные для малых — до 1 см? — элементов, с ростом площади КПД тех и других снижается).
Другая важнейшая проблема — низкая операционная стабильность новых элементов, то есть малый срок их эксплуатации.
Именно на решение этих проблем направлен международный проект Largecells. Его задачей является производство высокоэффективных и стабильных солнечных элементов нового поколения на основе полимеров и фуллеренов. Перед учеными и технологами поставлена цель найти фотоактивные материалы, обеспечивающие одновременно высокую эффективность и стабильность солнечных элементов, а также высокую технологичность их изготовления. До настоящего времени эти три задачи были практически взаимоисключающими.
Два направления гелиоэнергетики: за спиной у Евгения Каца самый большой в мире параболический солнечный концентратор, а в руках — гибкие полимерно-фуллереновые солнечные модули
Вот что рассказал один из участников проекта, доктор Евгений Кац, профессор университета имени Бен-Гуриона в Негеве (Израиль) и сотрудник Национального центра солнечной энергии в университетском кампусе Сде-Бокер, расположенном в самом центре пустыни Негев: "Использование новых солнечных элементов долгое время было ограничено их маленькой площадью и быстрым "умиранием" под действием солнца, да и КПД их довольно низкий. Тем не менее, они привлекательны — в первую очередь дешевизной. И еще — это очень красиво с научной точки зрения, ведь базой для разработки этого прибора послужили два открытия, за которые присуждены Нобелевские премии. Мы уже добились существенных успехов: когда новые элементы только начали разрабатываться, их срок службы под солнцем исчислялся минутами, сейчас же он составляет один-два года".
Первая из упомянутых Нобелевских премий — премия 1996 года по химии, присужденная Гарольду Крото, Ричарду Смоли и Роберту Керлу за открытие ими в 1985 году молекулы С60, родоначальницы семейства фуллеренов. Вторая, тоже по химии, присуждена в 2000 году Алану Хигеру, Алану Макдиармиду и Хидеки Ширакаве "за открытие и разработку проводящих полимеров".
Ранее считалось, что все полимеры — изоляторы. Впервые Хигеру, Макдиармиду и Ширакаве удалось получить проводящие (точнее, полупроводящие) полимеры еще в 1977 году. Их исследования показали, что так называемые сопряженные полимеры, в которых двойные и одинарные связи между атомами углерода чередуются (в результате появляется нелокализованный электрон на ?-орбитали), проводят электричество. Именно с потерей сопряженности при взаимодействии полимера с кислородом под действием света связана проблема нестабильности полимерных элементов. После работ Хигера и коллег получение полупроводникового прибора на основе пластика перестало быть фантазией, и сотни лабораторий включились в полимерную гонку.
Сам Алан Хигер полагает, что со временем новые солнечные элементы, если их установить только лишь на территории пустыни Мохаве в США, могут обеспечить полностью потребность этой страны в электроэнергии.
Эталонный свет пустыни
Идеальное место для изучения возможностей гелиоэнергетики — Израиль. В среднем здесь 330 солнечных дней в год. Важно не только количество солнечных дней, но и качество, высокое отношение интенсивности прямого солнечного излучения к рассеянному. С этим в Израиле тоже все в порядке. Спектр света в пустыне Негев, где находится упоминавшийся Национальный центр солнечной энергии, считается стандартом. Здесь для оценки солнечных элементов не нужен дорогостоящий имитатор света.
5 июня в кибуце "Ктура", недалеко от Эйлата, открыта первая в Израиле (и на всем Ближнем Востоке) солнечная электростанция. Область Арава, в которой расположен кибуц, — одна из самых солнечных в мире (350 дней в год). Мощность станции всего около 5 мегаватт. Однако построившая ее компания Arava Power заявила, что до конца 2014 года возведет в пустыне Негев еще 50 солнечных станций. К 2020 году Израиль планирует получать до 10% энергии с помощью альтернативных источников энергии, в основном — солнца.
Лучи высокой концентрации
Кроме участия в "полимерном" проекте Largecells, израильские ученые развивают еще одно перспективное направление гелиоэнергетики — концентраторную фотовольтаику, то есть технологию концентрации солнечного света. Схема такова: система следящих за солнцем зеркал и линз собирает свет с большой площади и концентрирует его на относительно малый солнечный элемент. Малый размер элемента позволяет использовать дорогостоящие (на единицу площади) образцы с высоким КПД. Мировой рекорд по КПД для концентраторных солнечных элементов — 43,5% при четырехсоткратной концентрации.
Евгений Кац занимается измерением параметров таких солнечных элементов и изучением физики фотопреобразования при сверхвысоких — до 15000 — концентрациях солнечного света. В уникальной установке, разработанной в Сде-Бокере профессорами Фуерманном и Гордоном, свет, собираемый параболическим зеркалом, концентрируется в волновод, который доставляет его в лабораторию.
Новые материалы получены на солнце
Оптический волновод доставляет в лабораторию концентрат солнечного света
Солнце помогает и при синтезе наноматериалов и наноструктур, например фуллеренов и нанотрубок. Рассказывает Евгений Кац: "Сначала фуллерены получали сжиганием графитовых электродов в электрической дуге. Выход не более 10%, так как в спектре дуги много ультрафиолета, который приводит к светодеструкции фуллерена. Понятно, что это дорого. Можно использовать лазерное испарение графита, но этот метод также дорог, поэтому и он не позволяет получать фуллерены в промышленном масштабе. Когда же мы попробовали синтезировать фуллерены с помощью концентрированной солнечной энергии, то это сразу дало результат".
В Сде-Бокере получают фуллереноподобные структуры не только из углерода, но и из неорганических материалов. Профессор Решеф Тенне из Института Вейцмана еще 20 лет назад предположил, что такое возможно, если кристаллическая структура исходного материала похожа на графитовую. Впоследствии фуллереноподобные структуры из неорганических материалов были получены в его лаборатории. Результатом сотрудничества профессора Тенне с коллегами из Сде-Бокера стало получение новых подобных материалов с использованием концентрированного солнечного света. Некоторые из них уникальны, то есть другими методами получены быть не могут.