Перовскитные батареи готовы к массовому производству

Перовскиты человечество открыло 180 лет назад. Минерал, состоящий из атомов кальция, титана и кислорода, обнаружил в первой половине XIX века на Урале во время своей экспедиции немецкий учёный Густав Розе. Он назвал его в честь Льва Перовского — министра внутренних дел тех лет, а ещё археолога и коллекционера.

За последнее десятилетие перовскиты стали одним из наиболее перспективных материалов в фотоэлектрических и светоизлучающих устройствах. Сегодня свойства достаточно редкого минерала изучают во всех уважаемых себя странах. К слову, это так же модно, как заниматься изобретением новой более энергоёмкой батареи для электромобиля. Но в случае с пересковитами речь идёт о перспективной солнечной энергии, которая могла бы обеспечить собой, к примеру, всю Африку.

Десять лет назад научный журнал Science даже включил фотоэлементы с этим минералом в десятку самых прорывных технологических решений.

Но, как бы перовскиты ни были в тренде, традиционная кремниевая фотовольтаика всё ещё лучше. Тем не менее, большинство исследователей, занимающихся перовскитами, уверено, что их потенциал выше, чем у классических кремниевых солнечных батарей.

Откуда такая уверенность? Сейчас «эффективность преобразования» солнечной панели (сколько «захваченного» солнечного света может быть превращено в электричество) составляет в среднем 16%. Светочувствительный минерал перовскит способен довести это значение до 66%, что удвоит возможности кремниевых панелей.

Выяснилось это не сегодня. Перовскиты уже давно применяется в качестве полупроводника. Его активно используют в фотоэлектрических системах, начиная с середины прошлого века. Уже тогда эксперименты подтвердили, что передачу электрического заряда перовскитные солнечные элементы осуществляют ничуть не хуже «классики» из кремния. Но при этом удельное поглощение одного и того же количества излучения достигалось при толщине:

• кремниевой пластины — 180 мкм;

• перовскитной пленки — 1 мкм.

Выходит, что традиционные солнечные батареи из кремния при толщине в 180 микрон поглощают столько же света, сколько перовскит сделает при 1 микроне. Всё дело в том, что, несмотря на примерно одинаковую эффективность передачи электрического заряда под действием света, спектр преобразуемого в электричество света у перовскита шире, чем у кремния. Такая способность этих минералов может помочь солнечной энергетике производить невероятно дешёвую электроэнергию.

Ещё один минус кремния: современные солнечные батареи из него теряют примерно 0,5 процента мощности за год работы. Такого ресурса для реальной энергетики и больших задач недостаточно. Есть у перовскитов перед кремниевым панелями ещё одно неоспоримое преимущество: перовскитная плёнка толщиной всего в 500 нанометров может содержать достаточно слоёв, 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.

Современные методы химического синтеза позволяют получать перовскиты различного химического состава и конфигурации. Органо-неорганические перовскиты в виде сплошных плёнок используют в качестве активного слоя солнечных батарей. Сейчас на основе уникальных электрических и оптических характеристик галоидных перовскитов и благодаря простоте их производства создаются эффективные солнечные батареи.

Ещё с 2015 года на основе минералов учёные из МИСиС создают фотоэлементы и фотодетекторы. Их последняя разработка — портативная раскладываемая солнечная батарея, которая отличается от аналогов высокой энергоэффективностью, в том числе в условиях низкой освещённости.

Новинку протестировали в ясный день и в пасмурную погоду, а ещё при сумрачном освещении. Испытания доказали, что перовскитные фотомодули мощнее существующих кремниевых аналогов. При эталонных солнечных условиях они показали КПД более 25%, а при естественном затемнении и облачности более 15%.

Исследователи из МИСиС объединились с коллегами из машиностроительного завода в Твери и создали прототип солнечной батареи нового поколения из отечественного сырья. При этом разработку усовершенствовали с помощью графеноподобных материалов и хлорсодержащих прекурсоров, это позволит контролировать количество дефектов.

Система представляет собой набор из нескольких перовскитных фотомодулей размерами 100 на 100 мм, которые были нанесены на подложки из стекла при помощи технологии жидкофазного нанесения и обработаны при помощи лазеров. Эти фотомодули учёные разместили на гибком текстиле, что упрощает их перенос и позволяет раскладывать солнечный генератор электричества при его установке на разных поверхностях.

Создатели подчёркивают, что новинка готова к промышленному производству. В МИСиС добавили, что новое изделие уже адаптируют для автономного питания узлов связи и удалённых объектов в условиях Крайнего Севера. В принципе, разработка действительно может оказаться востребованной в том же Норильском промышленном районе, в Югре, или на Ямале, где уже давно на каждом удалённом объекте всегда стоит наготове электрогенератор, работающий на бензине. Но бензин надо тоже откуда-то завозить и платить за него, а тут один раз установил, и на несколько лет избавил себя от хлопот. Правда, не ясно, как новая батарея отнесется к такому явлению, как полярная ночь. Она же всё-таки солнечная, а не лунная. Хотя от привычных батарей всё же отличается.

Сейчас невозможно предположить, будет ли у этой разработки коммерческий успех. Будут ли её закупать на Крайнем Севере? Как известно, Север крайне настороженно относится к экспериментам и ошибок не прощает. Интересно и позитивно другое. Всё больше научных и производственных корпораций начинает проявляет интерес к освоению Арктики. Желание «Росатома» построить несколько мини-АЭС для «Норникеля» — из той же серии. В случае с мини-АЭС, правда, есть уже заказчик с деньгами, а тут всего лишь опытный образец. Но в обоих случаях речь идёт о желании модернизировать инфраструктуру Арктики, сделать её более комфортной и технологичной. «Зелёной» такую энергетику, правда, язык не поворачивается назвать. Зелёного в Арктике немного. Скорее можно назвать «белой» энергетикой. Теперь главное, чтоб эти тёплые инициативы и российские научные разработки не замёрзли в нашей северной глуши.

Егор Петров