Перовскиты завоевывают солнечную энергетику

Успешное развитие солнечной энергетики во многом зависит от того, какие в ней используются материалы для солнечных батарей. В России уже несколько лет проводятся передовые разработки по одному из самых перспективных направлений – минералам перовскитам, которым эксперты отводят главную роль в солнечных электростанциях будущего. Этим проектом занимаются компания Эн+ совместно с учеными МГУ.

Перовскит (титанат кальция) – российский по происхождению минерал: он был обнаружен еще в XIX веке на Урале и назван в честь в честь государственного деятеля графа Льва Перовского. Как компонент фотоэлемента его впервые использовали в 2009 году. А уже в 2012 году перовскит вызвал первый мощный всплеск интереса. Тогда несколько работ показали, что эти минералы могут преобразовывать солнечный свет в электроэнергию с КПД, близким к кремниевым солнечным батареям того времени.

В 2013 году журнал Science даже включил перовскиты в список десяти прорывов года: «Перовскиты дешевы, просты в производстве и уже сейчас преобразовывают 15% энергии солнечного света в электричество». Как отмечалось, это ниже, чем у серийных кремниевых батарей, но материал-новичок быстро совершенствуется. Важная его особенность заключается в том, что он гораздо дешевле конкурентов, поэтому в наибольшей степени подходит для промышленного производства.

Классический перовскит имеет формулу CaTiO3, его кристаллы имеют псевдокубическую (нарушенную кубическую) структуру. В центре псевдокуба находятся атомы кальция, в угловых узлах – атомы титана, вокруг которых расположены атомы кислорода. При этом практически любой из атомов этой схемы может быть заменен на относительно сходный по свойствам с сохранением структуры. Под тем же названием известны и другие материалы: среди природных минералов, например, встречаются такие, где вместо кальция – церий, а вместо титана – ниобий или тантал.

Специфическая структура кристаллов перовскита дает им массу необычных свойств. Например, такие вещества считаются одним из наиболее перспективных сверхпроводников. На основе гибридных перовскитов уже созданы солнечные батареи, светодиоды, лазеры, фотосенсоры, детекторы рентгеновского излучения и другие оптоэлектронные устройства.

Наиболее значимая сфера их использования – солнечная энергетика. К 2020 году КПД перовскитных однослойных фотоэлементов взлетел до 25,2% – с такой же эффективностью работают и лучшие серийные кремниевые солнечные батареи. Как отмечают эксперты, перовскитная пленка толщиной всего в 500 нанометров может содержать достаточно слоев, чтобы эффективно генерировать электричество сразу от всех участков видимого диапазона. Поэтому на их основе легко создать двух- и более многослойные материалы с КПД выше, чем у кремния.

В России проектом по разработке солнечных панелей нового поколения на основе перовскита занимается компания Эн+ (в ее состав входит Абаканская солнечная электростанция в Хакасии) совместно с учеными МГУ. Приоритетная цель проекта – создание прототипа с необходимыми характеристиками для начала промышленного производства панелей. Преимущества таких панелей – относительная простота получения и дешевизна, гибкость и малый вес, высокий КПД (в том числе в тандемных солнечных элементах, где используются и перовскит, и кремний) и низкий углеродный след при производстве.

Такое внимание компании к передовым технологиям не случайно. Основатель Эн+ Олег Дерипаска неоднократно подчеркивал важность инноваций в бизнесе: «Дух предпринимательства – инновации, трансформация и динамизм – важен для любого бизнеса. Чтобы добиться успеха в бизнесе, надо все время искать новые пути и возможности для развития». По его инициативе в рамках металлургического бизнеса Эн+ также действуют собственные научные центры, которые разрабатывают новейшие технологии в области алюминиевой промышленности.

В феврале 2021 года проект Эн+ и МГУ по созданию перовскитных солнечных элементов был включен Роспатентом в десятку лучших НИОКР, получивших патент в 2020 году. Сотрудники Лаборатории новых материалов для солнечной энергетики Факультета наук о материалах МГУ тогда предложили новый способ формирования тонких пленок гибридного перовскита. Элементы из подобного материала могут существенно повысить эффективность традиционных солнечных батарей на основе кремния, а в перспективе заменить их на более дешевые и простые в получении аналоги.

Одним из вдохновителей проекта был бывший исполнительный директор Эн+ Вячеслав Соломин. «Возобновляемые источники энергии – профиль нашей деятельности как энергетической компании, стремящейся к зеленому будущему, поэтому с 2016 года Эн+ участвует в проекте создания перовскитовых панелей в качестве индустриального партнера, – отмечал он. – Развитие фундаментальной науки – один из наших приоритетов. В рамках сотрудничества с лабораторией материалов для солнечной энергетики МГУ компания оказывает поддержку в оснащении лаборатории специальным научным оборудованием, необходимым для проведения разработок на высоком уровне».

Соломин покинул компанию марте 2022 года, но Эн+ продолжает активную реализацию проекта. На данный момент уже разработаны и запатентованы новые масштабируемые способы получения тонких пленок гибридных галогенидных перовскитов, созданы прототипы перовскитных солнечных элементов (ПСЭ) с КПД выше 17%, разработан способ их защиты с использованием инертных защитных слов и покровного стекла. Объем финансирования проекта в 2021 году превысил 1 млн долл. В планах – дальнейшее повышение термофотостабильности элементов, масштабирование прототипов, адаптация способов получения ПСЭ для создания тандемных перовскит-кремниевых элементов с КПД до 44%.

«В мире данной тематикой занимается порядка 25 тыс. исследователей и лишь несколько групп в России, – отметил руководитель исследований, заведующий Лабораторией новых материалов для солнечной энергетики Факультета наук о материалах МГУ Алексей Тарасов. – Открытые в 2016 году в МГУ подходы позволяют формировать тонкие пленки гибридных перовскитов потенциально неограниченной площади. В настоящее время наша лаборатория ведет работу по широкому фронту фундаментальных и прикладных вопросов, связанных с развитием данной технологии, за время исследований нами получено более 10 российских и международных патентов, что говорит о высоком уровне проводимых разработок».