Текущая глобальная потребность в энергии в современном мире соответствует мощности около 13 ТВт, при этом за счет сжигания углеродсодержащего топлива производится примерно 80% мировой энергии. Поскольку скорость сжигания такого топлива примерно в 1 000 раз превышает темп его естественного накопления, доступные ресурсы, прежде всего нефти и газа, в обозримой перспективе будут истощены. С другой стороны, Солнце поставляет на Землю количество энергии, в 10 000 раз превышающее текущую глобальную потребность. О новейших технологиях использования солнечной энергии «Хайтеку» рассказал доктор физико-математических наук и грантополучатель Российского научного фонда Дмитрий Юрьевич Паращук.
Энергия Солнца
Ресурс Солнца практически не используется несмотря на то, что только только оно одно способно полностью удовлетворить глобальные энергетические потребности человечества, т. к. все остальные альтернативные источники энергии (геотермальные, приливные, ветер и пр.) в принципе не имеют необходимого потенциала. Наиболее удобный способ использования энергии Солнца — ее преобразование в электричество с помощью солнечных панелей батарей — солнечная фотовольтаика. Солнечные панели состоят из модулей, а они, в свою очередь, из солнечных элементов (СЭ) латеральным размером, как правило, менее 20 см. К примеру, для удовлетворения всех энергетических потребностей РФ достаточно покрыть площадь порядка 100х100 км (=10 кв. Гм) солнечными панелями с КПД в 10%, что показывает огромную емкость солнечного энергетического ресурса. Однако текущий уровень технологий солнечной фотовольтаики не позволяет этого сделать по экономическим причинам, поскольку солнечный ватт слишком дорог в сравнении с «углеродным ваттом».
Тем не менее, глобальная установленная мощность солнечной фотовольтаики уже превысила 1 ТВт и показывает годовой прирост около 25% в год, при этом стоимость солнечного ватта постепенно снижается. Однако пока на фотовольтаику приходится только 5% глобального потребления электрической энергии.
В настоящее время подавляющая доля солнечной электроэнергии производится кремниевыми солнечными панелями, обладающими КПД выше 20% и сроком службы в десятки лет, но они слишком дороги для более масштабного применения. В связи с этим внимание исследователей во всем мире сосредоточено на поиске более дешевых альтернатив солнечному кремнию, производство которого энергозатратно и дорого, т. к. принципиально требует высоких температур и вакуума. Такой альтернативой могут быть дешевые тонкопленочные (~100 нм) полупроводниковые материалы, которые, например, можно быстро наносить из растворов на большие площади, используя, в частности, имеющиеся технологии полимерной и печатной индустрии.
Так, если типичный кремниевый завод может произвести 0,1 Мм2 пластин в год, то на производство площади в 10 Гм2 потребуется 100 лет и 1 000 таких заводов. При этом 10 рулонных машин способны напечатать площадь порядка 10 Гм2 тонопленочных полупроводниковых материалов всего лишь за один год. Кроме того, тонкопленочная фотовольтаика может быть легкой, гибкой, полупрозрачной и цветной, что дает новые возможности для ее различных применений, в частности, в авиации, космосе, сельском хозяйстве и архитектуре.
Наиболее бурный рост исследований в последние 10 лет наблюдался в области органической и т. н. перовскитной фотовольтаике. Лучшие лабораторные образцы последней по КПД достигли уровня кремниевой фотовольтаики. Перовскитные солнечные элементы основаны на неорганических материалах со структурой перовскита, состоящих из свинца, галогенов и в отдельных случаях — органического соединения. Однако токсичный свинец выступает существенным экологическим фактором, сдерживающим масштабное производство перовскитных СБ. Кроме того, как органические, так и перовскитные СБ требуют качественной герметизации для их защиты от атмосферных кислорода и влаги, что увеличивает стоимость солнечного модуля.
Принципы работы солнечных элементов
В основе работы СЭ лежит фотоэлектрический эффект, состоящий в том, что при поглощении света в активном слое появляются носители тока — электроны и дырки, которые собираются на электродах элемента, т. е. дырки идут на один электрод, а электроны двигаются на другой. В неорганических солнечных элементах такое разделение зарядов выполняют с помощью p-n или гетеропереходов. В органических полупроводниках поглощение кванта света, как правило, порождает не свободные электроны и дырки, а их связанное кулоновским притяжением состояние, называемое экситоном. При этом необходимо разделить экситон на свободные электроны и дырки, для этого нужно приложить дополнительную энергию, что в принципе несколько снижает предельный КПД ОСБ. Эффективнее всего разделение экситонов на свободные заряды удается сделать с помощью гетеропереходов, поэтому для активного слоя ОСБ требуется как минимум два материала, их часто называют акцептором и донором электронов.
Устройство органических солнечных элементов
ОСЭ представляет собой многослойную структуру, где активный слой, обеспечивающий генерацию фотоиндуцированных электрических зарядов при освещении, заключен между вспомогательными слоями, обеспечивающими сбор фотоиндуцированных электронов и дырок на электродах (Рис. 4). Активный слой ОСЭ размещен между другими вспомогательными слоями, например, электродными и защитными.
Для активного слоя ОСЭ необходимы органические полупроводниковые материалы со следующими свойствами:
- максимальное оптическое поглощение,
- толщина активного слоя — десятки нанометров;
- минимально возможная энергия связи экситона (для уменьшения энергетических потерь на его диссоциацию);
- максимальная длина диффузии экситона;
- достаточная подвижность электронов по фазе акцептора и дырок по фазе донора.
Кроме того, пленки для ОСБ должны быть термо-, фото- и химически стабильны в течение ожидаемого срока службы ОСБ.
Долгие годы в исследованиях по органической фотовольтаике в качестве акцептора использовали в основном фуллерены С60, С70 и их растворимые производные. Однако фуллерены имеют малое оптическое поглощение и ряд других недостатков. Примерно 10 лет назад началась активная разработка и исследование нефуллереновых акцепторов, которые почти позволили достичь КПД ОСБ выше 20% в 2024 году. В настоящее время китайские ученые благодаря массированным и во многом эмпирическим поисковым исследованиям выступают мировыми лидерами по разработке новых материалов для ОСЭ и самих высокоэффективных ОСЭ.
В области ОСБ конкурируют два подхода к формированию активного и вспомогательных слоев — жидкофазный («мокрый»), т. е. из растворов, и парофазный («сухой») — обычно путем осаждения в вакуумной камере терморезистивным методом. Для «мокрого» нанесения материалы должны иметь приемлемую растворимость, этим способом можно наносить как низкомолекулярные материалы, так и полимеры. Для «сухого» нанесения подходят только низкомолекулярные материалы, которые допускают возгонку в вакууме, прежде чем они разрушатся (как правило до 500 °С).
Стабильность органических солнечных элементов
Стабильность выступает одним из наиболее узких мест ОСЭ, именно она и определяет срок их службы. Органические материалы в целом склонны к деградации под действием различных факторов, в частности: света (особенно УФ-диапазона), повышенной температуры, атмосферных влаги и кислорода. Поэтому для практического использования ОСБ, как впрочем и все другие типы ОСБ, необходимо герметизировать для защиты от воздействия окружающей атмосферы и УФ-излучения.
Стоимость органических солнечных элементов
Стоимость производства ОСП для них выступает одним из ключевых факторов, определяющих возможности их коммерциализации. Поскольку масштабного производства ОСП пока нет, весьма сложно спрогнозировать стоимость будущей технологии ОСП.
Оценки показывают, что 60–80% стоимости ОСП составляет производство материалов (синтез и очистка), а именно — компонентов активного слоя, а также материалов вспомогательных слоев, электродов, подложек и герметизации. Наиболее дорогими являются синтез и очистка материалов активных слоев ОСБ, поскольку требуется многостадийный процесс, требующий соответствующих прекурсоров, затрат растворителей и многократных операций по очистке. Поэтому наибольшее внимание в ближайшие годы будет уделяться разработке более дешевых в производстве материалов активного слоя.
При этом стоимость самой технологии производства ОСП — «мокрой» или «сухой» — не является пока ключевым фактором. Хотя стоимость «мокрой» технологии может быть намного ниже, чем «сухой» при масштабном производстве, поскольку для нанесения пленок можно адаптировать имеющиеся рулонные машины, разработанные для полиграфической и полимерной промышленности. Традиционным аргументом против «сухой» технологии служит то, что она требует вакуума и повышенных температур, что влечет за собой увеличение затрат энергии на производство и, соответственно, рост себестоимости ОСП. Также «сухую» технологию сложнее совместить с рулонной. С другой стороны, «сухая» технология десятилетиями отработана в микроэлектронике и успешно применяется для производства органических светодиодов и экранов на их основе. При этом «сухая» технология позволяет намного лучше контролировать чистоту материалов и параметры слоев многослойной структуры ОСБ. Поэтому в настоящее время нет консенсуса, какая технология будет предпочтительной.
Перспективные области применения органических солнечных элементов
В ближайшие годы ОСБ не достигнут необходимой степени зрелости для конкуренции с кремниевыми СБ для промышленного производства электроэнергии. При этом ожидается, что будут активно развиваться нишевые применения, где ОСБ имеют весомые преимущества перед другими типами СБ, а именно за счет гибкости, малого веса, полупрозрачности, возможности получения различных цветов солнечных панелей. Потенциал коммерциализации ОСБ в основном определяется тремя факторами: КПД, срок службы и стоимость. Также немаловажны такие факторы, как экологическая безопасность на всем жизненном цикле СБ: производство самих модулей и материалов для них, эксплуатация и утилизация отработанных модулей.
Фотовольтаика в помещениях (in-door)
В помещениях — офисах, квартирах, складах, цехах, торговых центрах и т. д., как правило, имеется искусственное и (или) естественное освещение. Характерный уровень интенсивности такого освещения более чем в 100 раз ниже в с сравнении с прямым солнечным светом, но, тем не менее, свет в помещении может быть использован для работы СБ, питающих разнообразную электронику с низким энергопотреблением (на уровне ~10 мкВт), например, сенсоры и датчики, гаджеты, видеокамеры, радио идентификационные метки (RFID), а также устройства интернета вещей (IoT). Рынок устройств фотовольтаики, предназначенных для работы в помещениях, показывает ежегодный прирост более 30% и превышает 1 млрд долларов.
Пока ОСП еще не вышли на рынок фотовольтаики для помещений, но имеют высокий потенциал. Во-первых, путем выбора материалов активного слоя спектр фоточувствительности ОСП может быть сравнительно легко подстроен под спектр искусственного освещения, в том числе от светодиодов и флуоресцентных ламп, который заметно отличается от спектра солнечного света. Во-вторых, условия эксплуатации СБ в помещениях как правило намного менее жесткие, чем при работе на открытом воздухе, что делают менее острыми проблемы стабильности ОСБ. При этом более высокой стабильности ОСБ при работе в помещениях способствует сравнительно низкий уровень освещения, отсутствие перепадов температур, уровня влажности и т. д.
Интеграция в здания
Различные здания по всему миру потребляют около 40% глобально производимого электричества. При этом общую площадь фасадов, крыш и окон зданий оценивают в 230 млрд м2. Архитектурно-интегрированная фотовольтаика нацелена на использование этих площадей для выработки электроэнергии при солнечном освещении. Использование таких площадей под СБ могло бы дать около 11% глобального производства электричества к 2050 году. При этом архитектурно-интегрированная фотовольтаика не требует выделения дополнительных территорий, что необходимо для работы солнечных электростанций. Кроме того, покрытые солнечными панелями внешние площади зданий могут улучшить их шумовую и термоизоляцию, а также электромагнитную защиту. В настоящее время рынок архитектурно-интегрированной фотовольтаики на 80% состоит из панелей на основе монокристаллического кремния, устанавливаемых на крыши зданий.
ОСБ перспективны для архитектурно-интегрированной фотовольтаики в сравнении с традиционными кремниевыми солнечными панелями за счет их гибкости, малого веса, полупрозрачности и возможности получать различные цветовые оттенки. Кроме того, ОСБ более эффективно преобразуют рассеянное и падающее под углом солнечное излучение. Так, КПД солнечных панелей максимален при нормальном падении и существенно падает с увеличением угла падения света. Солнечные панели, установленные на крышах, обычно не имеют поворотной системы слежения за Солнцем, поэтому значительную часть времени солнечный свет падает на них не в оптимальных условиях. Также перспективным направлением представляется интеграция в окна зданий полупрозрачных ОСБ со спектром поглощения в ближнем ИК-диапазоне. В таком случае наличие ОСБ не будет визуально заметным. При этом оконные стекла могут служить отличной герметичной защитой от влияния окружающей атмосферы, что будет способствовать длительному сроку службы ОСБ.
Космос
Еще одним перспективным направлением развития органической фотовольтаики выступает космос по следующим причинам. Во-первых, тонкопленочные СБ имеют высокие энерго-массовые параметры батарей в терминах удельной мощности (Вт/кг), что исключительно важно с точки зрения их доставки в космос. Во-вторых, широкоформатные тонкопленочные ОСБ, выполненные на гибких подложках, в том числе полимерных, могут быть доставлены в сложенном виде и развернуты в виде надувных конструкций или за счет центробежных сил. В-третьих, в космосе нет главных «врагов» стабильности ОСБ — кислорода и воды. Кроме того, ОСБ могут быть более радиацианно-стойкими за счет того, что они состоят из легких элементов, которые наименее уязвимы для радиации.
Заключение
Таким образом, значения КПД лабораторных образцов ОСП уже достигли уровня, вполне достаточного для большого числа разнообразных практических применений, но наиболее узкими местами ОСП остаются их недостаточный срок службы и высокая стоимость. При этом проведенные исследования по методике ускоренного старения показывают, что при качественной герметизации от атмосферных кислорода и воды срок службы ОСП может достигать десятков лет. Высокая стоимость ОСП прежде всего связана с дороговизной материалов для активного и вспомогательных слоев для них. Поэтому усилия исследователей будут направлены на поиск более простых синтетических методик для получения материалов для ОСП. В связи с этим ожидается, что в ближайшие годы будут развиваться нишевые применения ОСП, в частности, фотовольтаика внутри помещений, архитектурно-интегрированная и космическая фотовольтаика.
Обложка: downloaded from Freepik