Альтернативная энергетика: когда вместо окон — солнечные батареи

Перовскит — так называется минерал, открытый еще в начале позапрошлого века в Уральских горах. В природе это титанат кальция, содержашийся в горных породах, претерпевших воздействие огромных температур и давления. Перовскит привлек внимание ученых своей необычной кристаллической структурой в виде неправильного куба, присущей различным соединениям с полупроводниковыми свойствами.

Для создания фотоэлемента достаточно тонкого слоя материала со структурой перовскита. Чтобы ее получить, иодид свинца и металлоорганический иодид растворяют в диметилформамиде и наносят на подложку, например, из органического полимера. Затем структуру отжигают при температуре 90–110 градусов Цельсия, — так происходит формирование поликристаллической пленки из перовскитных молекул. В результате получаются гибкие полупрозрачные панели. Создать такие из кремния невозможно.

Скачущие электроны

В фотовольтаическом элементе фотопроводящий слой перовскита зажат между слоями еще двух полупроводников, например, из оксида металла и органического полимера, служащих для транспортировки носителей заряда. У электронов в атомах (в частности, входящих в состав полупроводника) разная энергия, и на основании этого их можно разделить по уровням. В физике рассматриваются три верхних уровня, в пределах которых и происходит движение носителей заряда. Нижний уровень, валентная зона, полностью заполнен электронами. Там они почти не способны двигаться — зажаты, как пассажиры в автобусе в час пик. Следующий энергетический уровень для них запрещен законами природы: электроны способны только прыгнуть через него и оказаться в зоне проводимости. Но где взять энергию? Для этого и нужен солнечный свет, то есть поток фотонов. Они как бы толкают электроны, придавая им силы прыгнуть «выше». На месте, где были электроны, остаются положительные носители заряда, называемые дырками.

В зоне проводимости электроны становятся свободными и могут двигаться из одного слоя фотоэлемента в другой, избавляясь от избытка энергии. Свободные электроны через слой одного полупроводника направляются к катоду, а дырки через слой другого полупроводника устремляются к аноду, и процесс повторяется заново. Эти дополнительные слои полупроводников выполняют роль своеобразных приемщиков носителей заряда, более эффективно разводя их к электродам.

Почему перовскит еще не завоевал мир

«Рекордная эффективность (коэффициент полезного действия) кремниевых батарей составляет сегодня 26,6 процента. Исследователи достигли той же конкурентоспособной величины в устройствах с использованием нового материала в 22,7 процента. Однако следует учитывать, что с кремнием физики работают уже полвека, а вот перовскит изучают всего около девяти лет. Думаю, дальнейший рост эффективности — это вопрос самого ближайшего времени при современном уровне развития химии, полупроводниковой электроники, и интенсивности исследований в данной области», — рассказывает Данила Саранин, сотрудник научно-образовательного центра «Энергоэффективность» НИТУ «МИСиС».

Главный недостаток солнечных батарей на перовските заключается в том, что под воздействием фотонов атомы между слоями начинают «путешествовать», из-за чего в структуре возникают дефекты. Со временем устройство теряет эффективность. Пока наилучший результат по сохранению коэффициента полезного действия для элемента на перовските — 13 процентов за год работы.

Ждем энергоэффективных зданий

Ученые полагают, что перовскитовые солнечные панели лучше подходят для бытовых целей, чем кремниевые, за счет того, что они полупрозрачны. Их можно даже разместить в окне вместо стекла. Такая солнечная батарея прозрачна из-за малой толщины, составляющей порядка сотен и даже десятков нанометров.

Учитывая открывающиеся перед перовскитом перспективы, в программу Евросоюза Zero Energy Buildings (что можно перевести как «Здания с нулевым потреблением энергии») включили «оклеивание» архитектурных сооружений солнечными батареями на основе этого необычного материала.

Аналогичную задачу решают ученые в НИТУ «МИСиС», чей проект «Широкоформатные полупрозрачные солнечные панели c использованием стабильных перовскитных архитектур» поддержан мегагрантом Минобрнауки. Руководить работами пригласили иностранного специалиста Альдо ди Карло, профессора кафедры оптоэлектроники и наноэлектроники Римского университета Тор Вергата.

«Наша цель — создание дешевых, гибких и производительных солнечных батарей, которые можно встраивать в фасады зданий или окна. Для начала надо научиться изготавливать крупные устройства, соответствующие масштабам зданий. Параллельно мы будем решать комплексную задачу по подбору новых материалов для эффективных перовскитовых солнечных батарей, стабилизировать существующие соединения, исследовать их свойства как теоретически, так и экспериментально», — делится дальнейшими планами Саранин.

На сегодняшний день нашим физикам удалось уменьшить деградацию одного из полупроводников, входящих в перовскитовый фотоэлемент, и сконструировать с его помощью экспериментальную солнечную батарею, которая показала среднюю эффективность почти за год 15 процентов.