570x289-images-stories2-863-perovskite-solar-650x330

Похоже, ученые нашли способ превратить солнечную энергию в основной энергоресурс для всей цивилизации. Новые надежды связаны с простым и давно известным минералом — перовскитом. Именно эти отблескивающие камни позволят солнечной энергетике выйти на новый уровень производительности и как знать — быть может, окончательно отодвинуть и нефть, и газ на задворки истории.

Солнце, пожалуй, самый совершенный энергоресурс.

Он не истощает наши природные запасы, не наносит вред окружающей среде, поступает на Землю в огромном количестве ежедневно. Но полностью на него переключиться…
Сказать об этом намного легче, чем сделать. И вопрос, как обычно, упирается в деньги: человечество на протяжении многих десятков лет бьется в поисках оптимальных способов получения «солнечного» электричества, однако на сегодняшний день гелиоэнергетика существенно проигрывает ископаемым источникам топлива в простоте и дешевизне получения. Впрочем, ученые, кажется, нашли способ преодолеть этот серьезный барьер. Но обо всем по порядку.

Современные разработчики солнечных электростанций, по сути, разошлись по двум направлениям: одни видят будущее гелиотехнологий в огромных массивах дешевых панелей, пусть и с низкой производительностью; другие специалисты, напротив, делают упор на повышение эффективности фотоэлементов, закрывая глаза на дороговизну их производства.

Последние, в частности, продвигают панели на основе кристаллического кремния или арсенида галлия, эффективность которых может доходить до 25 и даже 40% — но при исключительной дороговизне и сложности в изготовлении. Сторонники дешевизны, со своей стороны, могут похвастаться созданием полупроводниковых ячеек Гретцеля, простых и недорогих в производстве. Однако КПД даже лучших таких образцов не превышает 10%.

В итоге ни тот, ни другой подходы себя не оправдывают: по данным американского Министерства энергетики, стоимость производства электроэнергии с помощью солнечных батарей составляет сегодня более 150 долларов за МВт*ч, а при простом сжигании ископаемого топлива — менее 100 долларов для угля и менее 70 для газа.

Впрочем, надежды у «солнечной» отрасли есть. Более того, некоторые
оптимистично настроенные эксперты уверяют, что стоимость получения солнечной энергии возможно снизить до фантастического уровня, в разы дешевле любых иных источников. Причиной такого энтузиазма во многом служат именно исследования перовскита. Этот минерал прекрасно поглощает свет: покрытие из перовскита толщиной в 1 мкм вбирает столько же солнечной энергии, сколько слой привычного кремния в 180 мкм. Это позволяет сделать перовскитные фотоэлементы на порядок более компактными и легкими, чем кремниевые, а значит — они не потребуют громоздких поддерживающих конструкций. Более того, такое покрытие можно нанести прямо на стену дома, или просто на фонарный столб.

При этом перовскитные материалы имеют сравнительно простую структуру, их производство не отличается энергоемкостью и сложностью — не нужно никаких вакуумных камер и тысячеградусных температур, не требуется даже сверхвысокой чистоты самого материала. Таким образом, именно перовскит может примирить оба лагеря, разрушив стереотип «либо дешево, либо эффективно».
Впрочем, новым материалом перовскит назвать сложно. Хотя многие его уникальные свойства были открыты недавно, с самим минералом исследователи знакомы уже почти два столетия. Он был обнаружен в Уральских горах еще в 1839 году и назван в честь известного в те годы коллекционера минералов и покровителя геологов графа Льва Перовского.

Долгое время ученые не находили в перовските ничего особенного, хотя в XX в. он стал ценным источником титана, ниобия и редкоземельных металлов. Новое рождение перовскиту дал Майкл
Гретцель, разработчик тех самых полупроводниковых ячеек для солнечных фотоэлементов. В 2009-м году он начал опыты по использованию титаната кальция в составе солнечных панелей. Поначалу материал показывал довольно слабые результаты: КПД преобразования солнечного света в электричество составлял лишь 3,5%.

Да и долговечность фотоэлементов нового типа оставляла желать лучшего, так как применяемый тогда жидкий электролит довольно быстро разрушал слой титаната кальция. Последнюю проблему удалось решить заменой жидкого электролита на твердый, но это было лишь первым шагом.

В прошлом году физикам из Оксфордского университета удалось значительно улучшить показатели эффективности перовскитных фотоэлементов. За основу были взяты все те же ячейки Гретцеля, в которых электроны с органического красителя, поглощающего солнечный свет, переходят на проводящий электрод, покрытый слоем диоксида титана. Используя в качестве поглощающего элемента перовскит, а не краситель, оксфордские разработчики заменили и диоксид титана, нанося перовскитовую пленку прямо на поверхность пористого оксида алюминия. Такая реорганизация системы позволила уменьшить энергетические потери и повысить КПД системы до 11%.

Впрочем, исследователи верили, что данная разработка обладает более серьезным потенциалом. И следующим этапом стало решение задачи по уменьшению потерь электричества в процессе восстановления абсорбирующего вещества.

В дело снова вступила группа швейцарских исследователей во главе с Майклом Гретцелем. Они предложили новую двухступенчатую технологию создания фотоэлектрических ячеек, при которой часть перовскита депонируют непосредственно в поры металл-оксидной основы, а затем этот элемент погружается в перовскит-содержащий раствор.

Движение электронов через такую ячейку еще более упрощается, а производительность панели увеличивается уже до 15,4%. Эта цифра, между прочим, уже превышает средние показатели для кремниевых солнечных батарей — но и она далеко не предел: вдохновленный успехами, Гретцель уверен, что сможет довести КПД перовскитных ячеек до 25%. Главное, что материал этот «дешевле грязи».

Теперь ученые ищут способы еще больше упростить технологию нанесения перовскита на фотоэлектрическую панель. Возможно, им удастся свести этот процесс к обычному распылению пигмента по поверхности.

«Конечно, маловероятно, что когда-нибудь можно будет купить баллон «солнечной краски», которая позволит мгновенно преобразовать любую структуру в материал, генерирующий электричество. Но все слои батареи можно будет изготовлять так же легко, как наносить краску на поверхность», — говорит Генри Снейт, физик из Оксфордского университета. Благодаря таким перспективам интересом к перовскиту прониклись даже те, кто по-прежнему видит будущее солнечной энергетики в панелях из высокоэффективных и дорогих материалов.

В конце концов, и они могут использовать перовскит в составе своих систем, повышая их производительность и снижая конечную стоимость электроэнергии. Мартин Грин из Университета Нового Южного Уэльса, например, считает такой ход наиболее простым способом вывести новый материал на рынок. Правда, без ложки дегтя о во всей этой заманчивой истории с перовскитом не обошлось. Некоторые модификации этого вещества содержат определенное количество свинца, который при последующей утилизации солнечной батареи может попасть в окружающую среду и нанести вред всему живому. Хотя, с другой стороны, квадратный километр перовскитных фотоэлементов содержит куда меньше свинца, чем, к примеру, аккумуляторы одной тысячи легковых автомобилей. Так что «превзойти» по уровню опасности свинцовые АКБ у перовскитных батарей не получится, а при грамотной переработке таких отходов негативные последствия и вовсе можно свести к нулю.
Что касается выхода перовскитных панелей на рынок: если учесть, что даже не особо эффективные ячейки Гретцеля на диоксиде титана уже коммерциализированы (они, например, размещаются на некоторых подзаряжающих чехлах для iPad), то у перовскитных панелей с их грандиозным потенциалом тем более есть все шансы получить спонсорскую поддержку. Уже на данном этапе своего развития разработка собрала 4,4 млн долларов инвестиций -представьте, что будет, когда батареи на перовските достигнут обещанной эффективности в 25%.