Сотрудники НИТУ МИСИС впервые в России создали солнечную батарею на перовскитах полностью из отечественных материалов. Как сообщает пресс-служба вуза, мощность прототипа, уже готового к внедрению в производство, составляет 7 Вт, а напряжение — 48 В. В отличие от аналогов, результат двухлетней работы инженеров — не отдельные ячейки или модули, а полноценное изделие, которое скоро опробуют на крышах домов и солнечных электростанциях. В этом материале мы расскажем об особенностях перовскитных панелей, их эффективности и рентабельности, о сложностях, с которыми производителям предстоит столкнуться, а также о том, что нового привнесли в свое изделие отечественные ученые и какое будущее они для него видят.
Солнечная панель от отечественных инженеров состоит из 16 коммутированных перовскитных модулей. Корпус из противоударного, химически закаленного стекла фотоэлектрического качества для них разработала Российская стекольная компания. Сложнее всего было сделать изделие полностью герметичным, чтобы защитить его от кислорода и влаги. Для этого вместе с научно-техническим центром тонкопленочных технологий Группы компаний «ХЕВЕЛ» ученые ламинировали панель эластомерами.
Перовскиты — это группа минералов с общей формулой ABX3, кристаллическая структура которых напоминает слегка неправильный куб. Они в большом количестве содержатся в мантии в таком количестве, что могут считаться одним из самых распространенных соединений на планете, но на поверхности найти их бывает не так просто. Первый известный перовскит, CaTiO3, был открыт Густавом Розе на Урале в 1839 году. Он получил название по фамилии государственного деятеля, минералога, коллекционера и филантропа Льва Перовского (кстати, родственника Софьи Перовской, отца которой также звали Лев), а затем оно распространилось на всю группу подобных соединений. Материалы на основе этих минералов известны множеством интригующих свойств, в том числе сверхпроводимостью и колоссальным магнетосопротивлением — то есть электрическим сопротивлением, которое резко меняется в зависимости от магнитных полей. Эти характеристики открывают новые перспективы не только в солнечной энергетике, но и в микроэлектронике, фотовольтаике, телекоммуникациях и других областях.
Журнал Science даже внес перовскиты для солнечных батарей в топ-10 прорывов 2013 года, отметив, что в одной панели можно объединить их и кремниевый слой, чтобы лучше использовать разные длины волн. Спустя почти 11 лет материал улучшил свои характеристики и неплохо конкурирует с более распространенными аналогами на основе дешевого кремния. А немного изменив состав материала в разных слоях, можно «включить в работу» более широкий спектр света, чем с использованием кремния. При этом ячейки останутся очень компактными: для охвата практически всего видимого диапазона требуется суммарная толщина слоев всего в несколько сотен нанометров.
Проект «Материалы будущего» по программе «Приоритет-2030» позволил инженерам из МИСИС создать солнечную батарею, которая подойдет для разных климатических условий. «Ученые лаборатории перспективной солнечной энергетики на протяжении ряда лет разрабатывают материалы и технологии для альтернативной энергетики, ведут исследования в области увеличения срока эксплуатации и коэффициента полезного действия солнечных элементов нового поколения. Полноформатная батарея на основе гибридных перовскитов подтвердила свою эффективность в условиях рассеянного света», — прокомментировала ректор МИСИС Алевтина Черникова.
Поэтому необязательно жить в жаркой пустыне или солнечных тропиках, чтобы такие батареи были рентабельны. В панели соединены множество подъячеек, что позволяет ей работать и в пасмурную погоду, при низкой освещенности. Технологии такого типа открывают новые горизонты для солнечных батарей: не исключено, что они найдут применение даже в Арктике и на Крайнем Севере.
Себестоимость перовскитной панели от российских ученых меньше, чем у аналогов. Инженеры предполагают, что подобные солнечные батареи захотят приобрести не только владельцы компаний, которые хотели бы меньше вредить окружающей среде, но и хозяева частных домов. По словам разработчиков, перовскитные батареи станут выгоднее и по сравнению с кремниевыми аналогами.
«Солнечные панели на основе перовскитов будут дешевле относительно кремниевых. Уже сегодня можно купить демонстраторы перовскитных солнечных батарей. О серийном производстве пока затрудняюсь ответить, но уверен, что это вопрос решится буквально в течение года, — считает заведующий лабораторией перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС Данила Саранин. — И, как это бывает, поначалу продают только опт. Так что до частных лиц это дойдет в горизонте двух-трех лет. Это, возможно, оптимистичная, но достаточно реалистичная оценка».
Изготавливается такая перовскитная батарея очень быстро — всего за 8–10 часов. Для этого применяются высокие технологии: обработка лазерными импульсами, кристаллизация тонких пленок в разреженной среде и нанесение фотоактивных слоев жидкофазными методами. Данила Саранин ответил и на наш вопрос, насколько дорого и сложно масштабировать этот процесс.
«Любое пилотное производство — это непросто. На то оно и пилотное. Полный облик нашей технологии уже практически сформирован в лаборатории, и дальше мы этот облик переносим на индустриальные рельсы — то есть автоматизированные высокопропускные технологические процессы. В этот момент технология проходит через жернова ее незрелости. Понятно, что в индустрии годами и даже десятками лет работают одни и те же технические процессы, регламенты, которые составлялись годами. А для опытного производства это все будет первый опыт. Дорого ли это? Вопрос, конечно, относительный. Любое полупроводниковое производство или опытное производство с мощностью выпуска хотя бы на 100 мегаватт — это сотни миллионов рублей инвестиций. Это и капитальные затраты, и затраты на запуск самой технологии», — оценил он.
Компоненты в составе панелей полностью отечественного производства. Но есть ли в стране все необходимое, чтобы начать изготавливать панели на заводах? По словам разработчиков, теоретически — да. Россия производит не только составные части, но и установки, которые нужны на заводах по изготовлению солнечных батарей такого типа: вакуумное оборудование, оборудование подготовки полупроводниковых пластин.
«Вопрос в установках печати. Мы работаем по этому направлению с зарубежными компаниями, но считаем, что отечественные компании способны разработать это, на самом деле, не самое сложное оборудование — например, матричный принтер — под наше конкретное ТЗ, если будет на то запрос. Здесь нет таких глубоких секретов, как, к примеру, по высокоразрешающей литографии», — уверен Саранин.
Есть ли какие-то минусы у такой технологии? Традиционно у солнечных батарей невысокий коэффицент полезного действия. Но создатели и здесь настроены оптимистично: они считают, что, учитывая фундаментальные ограничения, отечественная разработка показала себя вполне неплохо.
«Для наземных условий обычно применяются КПД, у которых теоретический предел 33%. Больше, даже если мы сделаем все возможное, у нас не получится. Сегодня на рынке доступны солнечные батареи с КПД 24%, что достаточно близко к потолку. Мы представляем разработки, которые на лабораторных образцах догнали этот показатель — выше 20%. И теперь нам нужно повышать совершенство технологии масштабирования в той самой широкоформатной печати, чтобы качество ультратонких пленок было одинаковым на всей протяженности большой солнечной панели. Вся мозаика должна быть однородна», — подчеркнул Данила Саранин.
Модули на перовскитах не будут лидерами рынка по сроку службы — ученые прогнозируют, что он составит 40–50% от кремниевого аналога. Но чтобы подтвердить это, нужно опробовать панели в реальных условиях — например, на крыше или солнечной электростанции — как минимум в течение года. Пока ученые готовятся к этому этапу, для которого как раз и нужно произвести несколько прототипов.
Однако исследователи считают свою работу «настоящим прогрессом в повышении технологической зрелости разработок». «Мы готовы делиться технологией и открыты предложениям», — заключают они.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
