article 569

03.04.2017

Наука і технології Росії — Російські вчені розробили гнучкі сонячні батареї

Російські вчені розробили гнучкі сонячні батареї

Внесок сонячних батарей у світову енергетику невеликий: за даними Європейської асоціації фотовольтаїчної індустрії, сумарна потужність всіх світових сонячних електростанцій становить 67,4 ГВт. Для порівняння: потужність електростанцій Росії, за даними Міністерства енергетики, — 218 ГВт. Масовості сонячних батарей заважає і висока вартість і низька ефективність. Але дослідження в цьому напрямку йдуть в останні десятиліття дуже інтенсивно. Коли сонячні батареї стануть доступні кожному? Про новітні тенденції в цій області розповідає Дмитро Паращук. керівник лабораторії фотофизики органічних матеріалів фізичного факультету та міжнародного лазерного центру МДУ їм. М. В. Ломоносова .

Дмитро Паращук: «Зараз органічна фотовольтаїка зростає швидше за всіх напрямків сонячної енергетики»

Довідка STRF.ua:

Паращук Дмитро Юрійович. доцент фізичного факультету МДУ, доктор фізико-математичних наук. Зараз його лабораторія виконує роботу за трьома дослідним грантами Міносвіти Росії: «Підвищення ефективності полімерних сонячних фотоелементів», «Розробка органічних сонячних фотоелементів з підвищеним робочою напругою на основі напівпровідникових полімерів і металокомплексів фулеренів» і «Розробка нових редокс-систем для фотоелектрохімічних перетворювачів, не викликають корозії елементів сонячних модулів і підвищують напругу сонячних елементів до 1,5»

В сонячній енергетиці зараз існує багато різних підходів — від кремнієвих фотоелементів до наноточек. У чому переваги і відмінності вашого підходу на основі органічних матеріалів?

— Є три основних параметри фотоелементів: ефективність, або ККД, термін служби і вартість. Баланс цих показників визначає місце на ринку, і поки ми перебуваємо в ситуації домінування кремнієвої фотовольтаїки (сонячні батареї з фотоелементами з кристалічного або аморфного кремнію. — STRF.ru ). Ефективність кращих досвідчених зразків складає близько 25 відсотків, термін служби — десятки років, а впирається все у високу вартість. Тому потрібні нові матеріали, дешеві і ефективні. Крім кремнієвих технологій є ще наногетероструктурированные, тонкоплівкові на основі неорганіки, фотоелектрохімічні осередку Гретцеля. У кожної з них були свої особливості, плюси і мінуси. Тому погляд природним чином впав на органіку. Адже хімія — це дешева річ. Всі ці пакети, полімери навколо нас коштують недорого, а самі плівки-фотоелементи можна буде друкувати на принтері з пристойною швидкістю і за рік покривати більшу площу. Так що органічна фотовольтаїка вимагає малих витрат і легко масштабується.

Розкажіть, будь ласка, детальніше про виникнення ідеї використовувати органічні матеріали в сонячних батареях.

— В 70-х майбутній нобелівський лауреат Ширакава синтезував проводить поліацетилен. А першу органічну сонячну батарею в 1986 році продемонстрував Танг з компанії Kodak, ефективність була невисокою — всього біля одного відсотка. Цікаво, що патент на неї вийшов за вісім років до публікації. Чому так — загадка. У батареї Танга було два шари, завданих з допомогою вакуумного напилення, а структура працювала як гетеропереход. З тих пір ця область і стала розвиватися. Вже в середині 90-х Хігер (разом з Ширакавою отримав нобелівську премію в 2000 році. — STRF.ru ) показав, що фотоелемент можна зробити і з суміші напівпровідникового полімеру і фулерену. Потім це розвинулося в концепцію об’ємного гетероперехода, на основі якої побудовані всі кращі полімерні фотоелементи. Вони показують 9 відсотків ефективності, а рекорд в області органічних фотоелементів належить компанії Mitsubishi Chemical — 10,6 відсотка.

Зараз органічна фотовольтаїка зростає швидше за всіх напрямків сонячної енергетики. Ефективність ще невелика, але вже вище, ніж у елементів з аморфного кремнію.

Як ви робите фотоелементи у вашій лабораторії?

— В середині 2000-х, коли ми тільки починали працювати в цій галузі, все виглядало дуже незвично. Ми дзвонили хімікам і просили готувати плівки для нас. Після нас привозили самі зразки, характеристики яких ми і знімали. Ефективність виходила ніяка, але як вони працювали. Потім ми зрозуміли, що всі, крім синтезу, природно, треба робити в одному місці. Стало як в типових західних лабораторіях. Все, починаючи з порошку і закінчуючи пристроєм, робимо самі — є приміщення для створення плівок, для аналізів. Останнім часом в МДУ з’явилося багато нового обладнання. Я вважаю, що практично все є, щоб успішно працювати в цій галузі.

І скільки часу йде на створення однієї фотоелемента?

— Взяли порошок, розмішала, поставили розчинятися — хвилин десять. Розчиняємо від декількох годин до декількох діб. Наносимо плівку полімеру — хвилин п’ять. Для цього потрібна підкладка, відмита і з нанесеним допоміжним шаром — ще хвилин 15-20. Потім треба нанести металеві електроди у вакуумній камері; і потрібно близько години, щоб її відкачати. Разом для студентів добу роботи, а чистого часу — близько двох годин.

Студент Олег Козлов завдає електроди на зразок сонячної батареї. Робота в лабораторії Паращука потребує знань з різних галузей: фізики напівпровідників, хімії полімерів, вакуумної техніки. Тому навчання студентів тут приділяють особливу увагу

А як ви підбираєте матеріали для фотоелементів?

— Матеріал потрібно скоріше не підбирати, а створювати. Йти від невпорядкованих структур до порядку. Ми бачимо, як у природі добре працює високоорганізована органіка. Тому можна розраховувати на батарею з 10-ти і 20-відсотковою ефективністю на однокаскадном фотоелементі, а далі можуть піти і нові концепції, не пов’язані з існуючим теоретичним межею ефективності. Адже ми втрачаємо все ІЧ-випромінювання та частина енергії високоенергетичних фотонів з енергією більшою за ширину забороненої зони. Навчимося використовувати — буде просто чудово.

Яким чином організована робота наукової групи?

— В МДУ, напевно, всі відчувають схожі труднощі — нестача фахівців рівня постдок. У нашому колективі близько 25 осіб і більшість — студенти, а вони не можуть приділяти багато уваги науки. Плюс до цього потрібні фахівці з мультидисциплінарним освітою — можна дуже добре розуміти фізику і зовсім не розбиратися у вакуумній техніці або полімерної науки. А ще потрібні базові знання з фізичної хімії. Але поки відповідної освітньої програми немає і студенти, виходить, навчаються в лабораторії. У нас є традиція щотижневих звітів — два студента або аспіранта за 15 хвилин доповідають свій результат. Крім того, щотижня кожен співробітник зобов’язаний заповнювати гугл-таблицю. Всього один рядок — що він зробив за минулий час. Таким чином виходить стежити за роботою та результатами кожного.

Результати досліджень вашій лабораторії доходять до практики?

— Дивлячись що мається на увазі під практикою. Коли умови гранту припускають патентування, ми його робимо. Час від часу ведемо переговори з інвесторами, нашими і зарубіжними. Інтерес є, а реальних проектів, за винятком невеликого співпраці з LG Chem, немає.

Ми — дослідники, працюємо у фундаментальній області. Тут у нас є хороші результати, публікації, вони непогано цитуються, але ми не можемо самі ініціювати попит — це справа бізнесу.

Уявімо, що в світі нарешті була створена ефективна технологія. Виникає ряд питань. Згадаймо улюблений приклад — покриту сонячними батареями пустелю Сахару. енергії, якої вистачить на всю планету. А як транспортувати її до споживача?

— На цьому прикладі з Сахарою лише демонструється потенціал сонячної енергетики. Звичайно, повинна бути мережева структура. Де багато Сонця — великі станції, де менше — локальні джерела. Також все залежить від інших технологій. Наприклад, цілком можуть з’явитися надпровідні лінії електропередач. У будь-якому випадку також потрібні локальні рішення. Вікна, стіни, дахи — будь-яка поверхня, звернена до Сонця або джерела освітлення, повинна ефективно використовуватися. Є багато сміливих ідей в цьому дусі — можна навіть електрично освітлюване приміщення покривати тонкими сонячними батареями або вбудовувати їх у вікна, дзеркала. В масштабах, звичайно, це копійки, але забувати не можна. Плюс не можна забувати і про накопичувачах енергії. Сонце-то не завжди є.

Монокристаллическая плівка АС-5 під оптичним мікроскопом. Це перспективний з’єднання для органічної електроніки, яка поєднує високу рухливість зарядів з хорошими люмінесцентними властивостями. Може бути використане у складі світловипромінюючих транзисторів і органічних лазерів

Немає тут підводних каменів? Ось пройде 10-20 років, і фотоелементи прийдуть в непридатність. Як їх утилізувати?

— Один з учнів Хигера пропонує створювати биодеградируемую електроніку. На амінокислотах або природних барвниках, наприклад індиго, яким фарбують джинсову тканину. Результати поки не дуже хороші, але все це якось вже працює. А потім взяли та й з’їли, корисно і смачно. Я утрирую, звичайно, але про питання утилізації вже потрібно думати. В принципі він вирішується, але вимоги биодеградируемости входять у суперечність з терміном служби. Зараз над нами висить енергетична прірву, яка важливіше всього іншого. Інші проблеми потрібно вирішувати по мірі надходження, хоча замислюватися потрібно вже зараз.

Ви довго працюєте в галузі фотовольтаїки, маєте великий досвід. Вірите, що років через десять вона прийде в кожен дім?

— Зараз у Німеччині ви вже легко можете купити сонячні батареї для свого будинку. Все буде, питання лише в масштабах і правильному підході до матеріалів. Намічається науково-технічна революція, якої суспільство завжди чинить опір. Згадаймо, як змінили цивілізацію кремній, метал, папір, порох або полімери. Ми близькі до цих змін, але вони дуже болючі для великих структур.

Ті, хто контролюють науку, завжди зацікавлені в дотриманні статусу-кво.

Уявіть, якщо люди перестануть хворіти — що буде з фармацевтикою? Для цивілізації краще, а структура пропаде. Так що вона буде боротися з революцією усіма можливими методами. Це природно, як і життя.

Які у вашій лабораторії плани?

— Створити органічну сонячну батарею з ефективністю 15-20 відсотків і органічний лазер з електричною накачуванням. Останнє поки що нікому не вдалося, але ми ж лазерні люди. Нам цього найбільше хочеться.

Короткий опис статті: гнучкі сонячні батареї Наука, техніка, освіта, інновації, ідеї, відкриття, нові технології. Держполітика у сфері науки, огляди, думки, коментарі. Освіту. Право. Наукові конференції, семінари. Календар подій у світі науки Наука, техніка, освіта, інновації, ідеї, відкриття, нові технології. Новини науки, новини НДІ, РАН, новини інститутів і університетів, реформа освіти. ФЦНТП, ФЦП, Роснаука, гранти, конкурси, інвестиції. Нанотехнології, біотехнології, екологія, енергетика та енергозбереження, нові технології, космос, зброя

Джерело:
Наука і технології Росії — Російські вчені розробили гнучкі сонячні батареї

Також ви можете прочитати