Замена кремнию

Основу солнечных панелей, которые устанавливают сегодня по всему миру для генерации электроэнергии, составляет кремний — надежный, но относительно дорогой и негибкий материал. Сегодня ученые по всему миру работают над альтернативой, которая может сделать солнечную энергию дешевле, легче и доступнее. Таким материалом могут стать перовскиты — особый класс соединений, которые можно использовать для создания активного слоя солнечной батареи и которые легко производить.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

В материале для «Ъ-Науки» старший научный сотрудник Центра энергетических технологий Сколтеха, основатель стартапа «Полисенс», кандидат химических наук Марина Теплякова рассказала о том, почему перовскиты еще недостаточно стабильны для массового применения, какая инфраструктура необходима для новой энергетики и какие решения предложили российские ученые.

В чем преимущество перовскитов

Чтобы понять потенциал перовскитной технологии, ее стоит сравнить с уже привычными кремниевыми солнечными панелями. Главное отличие кроется в самом принципе изготовления. Кремниевые панели основаны на сложном и энергозатратном процессе: оксид кремния плавят при температуре выше 1400 градусов, из расплава выращивают большой кристалл, который затем нарезают на пластины. Это делает производство дорогим, а сами панели — тяжелыми, жесткими.

Перовскитный активный слой создается практически как пленка. Специальный жидкий раствор наносится на любую поверхность — стекло, пластик или фольгу — и просто высушивается. В результате получаются легкие и гибкие элементы, а подбором состава перовскита можно создавать полупрозрачные покрытия, которые можно интегрировать в окна, изогнутые фасады зданий или легкие конструкции.

Принцип работы всех фотовольтаических устройств основан на общем для фотоактивных полупроводников физическом явлении: поглощая свет, материал генерирует пары носителей заряда — электроны и дырки. Если эти носители разделить с помощью специальных транспортных слоев, получаем электрический ток. Ключевое преимущество перовскитов заключается в технологической простоте формирования самого светопоглощающего слоя. В отличие от сложных высокотемпературных или вакуумных процессов, он может создаваться методом растворного нанесения: необходимые компоненты, такие как соли свинца и органические иодиды, растворяются, после чего раствор наносится на подложку и высушивается. Этот подход является менее затратным, быстрым и легко масштабируемым.

Что сдерживает развитие новой технологии

Эффективность лабораторных образцов перовскитных элементов уже превышает 27% и превосходит показатели многих серийных кремниевых панелей. Однако дальнейшее развитие технологии сдерживают две основные проблемы: недостаточная стабильность материалов и сложность обеспечения производства необходимыми компонентами.

Перовскит — очень «нежный» материал. Он разрушается практически от всего: света, который должен преобразовывать, тепла, которое неизбежно возникает на солнце, кислорода и влаги из воздуха, внутреннего электрического напряжения. Получается замкнутый круг: идеальная среда для деградации создается внутри работающего устройства.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Мировые исследования по решению этой проблемы сосредоточены на двух ключевых направлениях. Первое — повышение внутренней стабильности за счет подбора составов перовскитов и транспортных слоев. Например, в нашей лаборатории в Центре энергетических технологий Сколтеха создан гибридный дырочно-транспортный слой на основе органического полимера политриариламина (ПТАА) и оксида ванадия. Такой слой не только эффективно экстрагирует и проводит дырки, но и удерживает компоненты перовскита внутри материала, позволяя ему самовосстанавливаться, в отличие от обычного кремния, где повреждения необратимы.

Второе направление — внешняя защита с помощью герметичных инкапсуляционных покрытий, блокирующих влагу и кислород. Без них, как показал опыт зарубежных испытаний, элементы быстро деградируют. В нашей лаборатории ведутся исследования и в этом направлении. В частности, совместно с лабораторией наноматериалов Сколтеха был разработан инкапсуляционный слой на основе парилена-н, позволяющий предотвращать контакт перовскита и атмосферы. Результаты исследований опубликованы в высокорейтинговом журнале.

Другим большим направлением исследований является повышение эффективности за счет создания тандемных элементов. По сути, это «бутерброд» из двух солнечных батарей в одной: верхний слой из полупрозрачного перовскита ловит коротковолновую часть солнечного излучения, а нижний слой из кремния — длинноволновую. Вместе они захватывают больше солнечной энергии, чем любая из технологий по отдельности, что позволяет преодолеть физическое ограничение эффективности для одиночной панели. В наших совместных работах с Университетом Нанкина такие фотоэлементы уже показывают эффективность около 30%.

Как удалось наладить собственное производство органических полупроводников

Кроме научных сложностей есть и практическая проблема: где взять нужные материалы. Для создания перовскитных элементов требуются высокочистые органические полупроводники для транспортных слоев. Стоимость этих материалов на международном рынке крайне высока — например, цена на распространенное соединение Spiro-OMeTAD достигает 2000 долларов за грамм. Еще более критичным стал вопрос доступности: с 2022 года поставки от западных производителей прекратились, а заказ аналогичных реагентов из Китая может занимать до 180 дней. Это существенно замедляет исследовательский процесс.

Совместно с коллегами в Сколтехе мы приняли решение наладить собственный синтез этого материала и создали стартап «Полисенс», получив поддержку Фонда содействия инновациям. За год мы отработали метод синтеза, время ожидания готового материала сократилось с шести месяцев до нескольких недель, а стоимость — в два-три раза.

Что ожидает отрасль в будущем

Все ключевые направления, о которых мы говорили — и увеличение стабильности перовскитов, и создание тандемов для повышения КПД, и попытки масштабировать технологию до реальных панелей,— это пока область фундаментальных и прикладных исследований. Сегодня перовскитные батареи — это по большей части лабораторные образцы, и их коммерческое будущее целиком строится на результатах нашей текущей работы.

В перспективе — не только солнечные панели на крышах. Это легкая энергетика для мобильных устройств и интернета вещей, прозрачная — для умных окон, и, возможно, самое перспективное — космическая энергетика, где радиационная стойкость перовскитов открывает новые горизонты.

Подготовлено при поддержке Сколтеха