Игорь Шумейко
Понятный и естественный враг фотобатарей – пыль. Фото Reuters
Сторонники двух стратегических направлений в солнечной энергетике – повышения КПД и удешевления фотоэлементов – часто спорят. Действительно, чем эффективнее работает основной материал солнечных фотоэлементов, тем он дороже. Вот краткие характеристики некоторых полупроводниковых фотоэлементов: кремний (КПД фотоэлементов из монокристаллического кремния – до 20%, из поликристаллического – 15–17%, из аморфного – около 10%); арсенид галлия (до 28%); медноиндиевый диселенд (17%); теллурид кадмия (8%).
На этом фоне новый полупроводниковый материал – перовскит (титанат кальция), кажется, не выдерживает конкуренции. Перовскит (обнаружен в первой половине XIX века на Урале, назван в честь графа Льва Перовского, видного государственного деятеля, знатока минералов) впервые использовался как компонент фотоэлемента только в 2009 году (КПД 3,5%). Однако многие эксперты именно перовскиту прочат роль материала для солнечной энергетики будущего. Дело в том, что он почти на порядок дешевле уже распространенных полупроводников, поэтому в наибольшей степени подходит для создания промышленных фотоэлементов.
Доктор технических наук Яков Визель из Объединенного института высоких температур РАН, автор ряда работы о солнечной энергетике («Энергоэффективные дома, в частности дома с нулевым энергопотреблением»/ Palmarium Academic Publishing, Saarbruken, 2014; «Технология солнечного тепло- и электроснабжения домов»/ Palmarium Academic Publishing, Saarbruken, 2015), уверен в принципиальной возможности создания домов нулевого энергопотребления в России. И особо выделяет материалы будущего: перовскит и синтезируемые органические материалы.
Профессор Майкл Гретцеля из Федеральной политехнической школы Лозанны подчеркивает: «Главное преимущество новых фотоэлементов заключается не столько в эффективности, сколько в том, что материал чертовски дешев». Обозначена и «точка прорыва» – перовскит оправдал надежды: КПД фотоэлементов на его основе вырос до 15%.
Хорошие перспективы и у синтезируемой органики. В 1970-х будущий нобелевский лауреат по химии Хидеки Ширакава синтезировал проводящий полиацетилен, и первая органическая солнечная батарея компании Kodak (1986) показала КПД менее 1%. Однако уже сегодня специалисты утверждают, что несколько тонких электропроводящих слоев-подложек, на один из которых нанесен специальный пигмент, в перспективе вполне могут достигнуть и показателя 25%. «Бескремниевые батареи настолько эффективны и просты в производстве, что я могу с уверенностью сказать, что за ними будущее», – уверен профессор Мартин Грин из Университета Нового Южного Уэльса.
Солнечная энергетика несет в себе противоречие, так сказать, онтологического характера: производство и потребность – на противоположных краях дневного цикла (почти по Козьме Пруткову: «Луна полезней солнца, ибо светит ночью»). Накопление энергии в аккумуляторах – почти такое же противоречие: никель-кадмиевые, лучшие по многим параметрам, эксплуатируемые при высокой температуре (до +40 градусов по Цельсию), быстро теряют емкость.
Понятный, представимый враг фотобатарей – пыль. Обычная помывка напомнит о том же противоречии: где солнца больше там суше, и вода – критический ресурс.
Яков Визель замечает по этому поводу: «Американцы «спускают на Землю» космическую технологию, разработанную совместно с NASA для пыльного Марса: тонкая прозрачная электрочувствительная пленка наносится на стекло или пластиковое покрытие солнечных панелей. Когда концентрация пыли достигает критического уровня, датчики активизируют пленку, которая электрическим разрядом отталкивает пыль, образуется «волна», толкающая пыль к краям солнечной панели и сбрасывающая ее. Удаляется около 90% пыли в течение 2 минут».
Солнечная энергетика – одна из наиболее быстро растущих отраслей мировой экономики: 30–50% в год. Вклад России пока весьма скромен – около 1% мировой. Наши лидеры Абаканская солнечная электростанция (СЭС) мощностью 5,2 МВт и Орская СЭС (Оренбургская область) – 25 МВт. Причем особый выигрыш последней в том, что она построена на золоотвале местной Орской ТЭЦ-1.
Мне еще в 2005–2006 годах довелось публиковать статьи о триумвирате: Герман Шеер, Клаус Тиссен и наш нобелевский лауреат, академик Жорес Алферов, продвигавшие солнечную энергетику. Идея Шеера – создание Международного агентства по возобновляемой энергии (IRENA), аналога агентства по ядерной энергетике МАГАТЭ – была воплощена в жизнь.
Одна цифра запомнилась, важнейший интегральный показатель: солнечная электростанция в средней полосе России будет давать примерно в два раза меньше энергии, чем в Германии. К тому же все вышеперечисленные фотоэлементы работают ближе к фиолетовой части спектра (то есть ближе к «фазанам» из школьной считалки). А инфракрасная составляющая спектра не только не дает электричества, наоборот, нагревая пластины, понижает их работоспособность. Охлаждение их – столь же важная проблема, как, например, очистка от пыли. И как раз в наших пасмурных широтах «красного» больше, фиолетового – меньше. Этот фундаментальный минус для нашей солнечной энергетики еще в 2005 году выглядел неизбежным, «начальным условием», но…
«Главные надежды отечественной солнечной энергетики связаны с принципиально новыми гетероэлектрическими фотоэлементами (ГЭФ), презентация которых недавно прошла в Дубне, – поясняет Яков Визель. – Они стали основным компонентом новой батареи, разработанной учеными Научного центра прикладных исследований Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ). Технология и устройства не имеют аналогов в мире, а внедрение их, полагают физики, может привести к научно-технической революции».
Приемная батарея состоит из гетероэлектрического фотоэлемента, который эффективно работает и в видимом, и в инфракрасном спектре гетероэлектрического конденсатора, обладающего огромной емкостью в малом объеме. ГЭФ позволяет управлять магнитным полем и его преобразованием. Это прямая дорога к созданию приборов и устройств с заданными оптическими, электрическими и магнитными свойствами.
Доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник ОИЯИ Олег Займидорога обнаружил следующий эффект: если в какой-либо материал (носитель) ввести наночастицы других материалов (затравку), то воздействие электромагнитного поля вызывает явление суперкогерентности. Интенсивные, согласованные по времени колебания электронов затравки приводят к интенсивному взаимодействию всего образца (гетероэлектрика) с электромагнитным полем. Это коренным образом меняет свойства материала. Уникальное явление было названо самосборкой кристаллической структуры.
Стало понятно, что обнаруженный эффект открывает уникальные возможности. Если изготовлять оптическое стекло на основе гетероэлектриков, то можно получить стекло, пропускающее данный спектр излучения или использующее часть солнечных лучей для выработки электроэнергии.
Все элементы, выполненные на основе гетероэлектриков, обладают огромной эффективностью, многократно превышающей мировые рекордные показатели и доходящие до 90% для фотокатодов. Кроме того, ГЭФ, как уже упоминалось, обладают уникальной способностью работать в ночное время, используя видимые и инфракрасные потоки (О.А. Займидорога, И.Е. Проценко, В.И. Самойлов. «Гетерогенный фотоэлемент», патент РФ № 2217845). Так что можно уже говорить не только о солнечных батареях, но и о «звездных», способных вырабатывать электроэнергию в любой климатической зоне и в любое время суток.
И, как отмечает Яков Визель в готовящейся к выходу книге «Солнечные элементы для промышленного электроснабжения», у батареи, созданной на основе ГЭФ, эффективность преобразования видимого спектра составляет 54%. Это значительно превышает существующие мировые достижения, а эффективность преобразования инфракрасного спектра 31% – выше, чем у современных солнечных батарей. Фототок ГЭФ в четыре раза больше обычного. При этом масса полупроводникового вещества ГЭФ на ватт энергии в тысячу раз меньше, чем у фотоэлементов современных солнечных батарей. Себестоимость новинки ниже, чем у всех аналогичных устройств.
Таким образом, появилась реальная возможность создать солнечные батареи для коттеджей и вообще для домов, расположенных в зоне «пасмурных широт», к которым относится большая часть европейской территории России.
