Как из лучей света получить дешевые киловатты

Разработка Михаэля Гретцеля – пример беспрецедентного роста эффективности технологий солнечной энергетики. Фото с сайта www.epfl.ch

Солнечное излучение сегодня рассматривается как один из самых перспективных источников энергии – во многом благодаря успехам ученых, которые добились большого прогресса в разработке эффективных технологий для солнечной энергетики. Одна из таких прорывных технологий – перовскитные элементы. Об уникальных свойствах перовскитных ячеек, дорогих счетах за электричество и переходе человечества на возобновляемые источники энергии корреспонденту «НГ» Владимиру ПОЛКАНОВУ рассказал швейцарский ученый, профессор Федеральной политехнической школы Лозанны, лауреат премий Бальцана, Харви, Эйнштейна, «Глобальная энергия – 2017» за изобретение высокоэффективных солнечных ячеек Михаэль ГРЕТЦЕЛЬ.

– Вы – один из основателей технологии перовскитных солнечных ячеек. Расскажите о том, как появилась технология и в чем ее основное преимущество?

– Это удивительная технология. Самое поразительное то, что эти материалы существуют уже более 100 лет. Перовскиты были открыты много лет назад в России ученым-минералогом Львом Перовским и названы в его честь. Но особые преимущества перовскитовых материалов в качестве фотовольтаических конвертеров были обнаружены только тогда, когда их впервые использовали в десенсибилизированных солнечных ячейках в качестве светочувствительного вещества. Мы очень гордимся тем, что мы были у истоков этой работы, в каком-то смысле перовскиты – это наше детище. У них действительно есть особенные свойства: в течение нескольких лет благодаря исследованиям удалось повысить их КПД с 3 до 22%! Это неслыханно! На протяжении всей истории фотовольтаики еще никогда прежде не встречался такой впечатляющий рост эффективности.

Более того, если мы сравним этот материал с поликристаллическим кремнием (его используют в большинстве солнечных панелей), то количество перовскита, необходимое для достижения такого высокого уровня эффективности, будет в 1000 раз меньше. Не стоит забывать, что кремний обходится недешево, а для того, чтобы его использовать в солнечной панели, необходимо достичь крайне высокого уровня очистки материала – 99,999999%. Кроме того, необходимо превратить песок в кремний, в то время как перовскиты могут быть получены из более доступных химических веществ в процессе их растворения при комнатной температуре. Еще одно немаловажное конкурентное преимущество перовскитных ячеек состоит в том, что они эффективно работают даже при рассеянном свете. Скажу больше – на днях в Санкт-Петербурге мы сумели добиться генерации электричества при пасмурном небе! Мы очень гордимся и счастливы, что можем сотрудничать с нашими русскими коллегами из МГУ в работе над этой увлекательной технологией.

– Учитывая такой успех, когда нам стоит ждать первых солнечных панелей с перовскитными ячейками?

– Перовскиты до сих пор являются молодой технологией, поэтому я думаю, что впереди нас ждут впечатляющие годы исследований с возможностью повышения КПД до уровня свыше 22%. Многое будет зависеть от результатов дальнейшей работы по созданию оптимального слоя кристаллов перовскитов. Мои коллеги из МГУ добились в этом выдающегося успеха. На основе их исследований уже начались эксперименты с применением новых подходов. Конечно, это пока еще ранняя стадия, но я оптимистичен: думаю, что коммерческое использование перовскитных солнечных панелей может начаться через три–пять лет.

– Что на данный момент тормозит коммерческое производство?

– Масштабирование. Сейчас ученые по всему миру исследуют возможность начала производства ячеек большего размера, после чего можно будет перейти на модули. Таким образом, шаг за шагом, мы сможем приступить к промышленному производству. Наша задача – удостовериться, что при масштабировании эти ячейки покажут ту же высокую эффективность, которую они демонстрируют в лабораторных условиях. Я не сомневаюсь в успехе. Конечно, нам еще предстоит провести все испытания на устойчивость и удостовериться, что купивший наши ячейки клиент не вернется через неделю и не скажет: «Эй, ваши ячейки недолговечны!» Но я полагаю, что у нас большие шансы создать стабильные системы в среднесрочной перспективе.

– Каким может быть максимальный КПД коммерческого образца перовскитного солнечного модуля?

– При достижении эффективности перовскитного солнечного модуля в 15% и сроке службы порядка 15 лет стоимость полученного электричества будет намного ниже, чем у панелей с кремниевым аналогом. Она сможет сократиться вдвое. Конечно, это не вопрос завтрашнего дня, но шансы на успех высоки.

– Технология серьезно продвинулась за последние годы, есть ли у перовскитных ячеек предел КПД?

– Сегодня лимит однопереходной фотовольтаической ячейки при ярком солнечном свете составляет 22%, но мы можем его улучшить до 33%. Это очень большой потенциал роста, и мы продолжим прилагать усилия к достижению этого показателя.

– Сможет ли солнечная генерация составить серьезную конкуренцию традиционным источникам энергии?

– Да, разумеется. Это ведь простая математика: проживая в Швейцарии, я плачу за электричество 20 центов за киловатт-час. Солнечные панели на основе кремния позволят сократить эту цену вчетверо – до 5–6 центов, а перовскитные ячейки и того больше – до 3–4 центов. Мы не можем сжигать большее количество углеводородов, не влияя на парниковый эффект и изменение климата. Мировое потребление энергии увеличится, но этот прирост должен покрываться за счет возобновляемых источников энергии.

– Когда же эти возобновляемые источники энергии станут значимым элементом мирового энергобаланса?

– Это уже происходит. Благодаря установленным на данный момент кремниевым фотовольтаическим системам общая мощность получаемого от солнечной энергии электричества достигает почти 300 гигаватт. Конечно, нам еще предстоит долгий путь до тех 70 тераватт, которые мир потребляет сегодня. Но психологическая отметка в тераватт установленной мощности в фотовольтаике может быть достигнута уже очень скоро. Скажем, к 2040 году, а быть может, даже раньше.