Инженер лаборатории перспективной солнечной энергетики «МИСиС» Данила Саранин: Скоро можно будет забыть о розетках и пауэрбанках

Ɔ. Солнечные панели традиционно производят на основе кремния. Почему ученые решили обратить внимание на другие материалы?

Кремниевой технологии уже больше пятидесяти лет, но она по-прежнему доступна не всем, хоть производство и сконцентрировано в Китае. Остальным развивающимся странам выгоднее использовать традиционные топливные виды энергоресурсов, а также атомную или гидроэнергетику — так конечный пользователь платит за электроэнергию меньше. Все упирается в экономику: производство кремниевых панелей — не только высокая технология, но еще и достаточно сложный и энергоемкий процесс. Поэтому ученые с конца 80-х годов начали думать, как сделать его дешевле. Сначала они пытались создать солнечные элементы на специальных материалах-красителях, потом их внимание привлекли органические полупроводники, но их КПД был не более 15%, тогда как у кремния — 20–25%. В 2010-х появился еще один материал — перовскит (название структуры молекулы, первоначально минерала — титаната кальция. — Прим. ред.), чей КПД в районе 20%, почти как у кремния, а стоимость производства в два раза меньше. Есть такой параметр, как окупаемость энергетических затрат (далее ОЭЗ. — Прим. ред.) — количество энергии, которое мы тратим на производство. Если у кремниевой панели ОЭЗ около порядка десяти лет, то у перовскитной — год. Снижение ОЭЗ возможно благодаря использованию менее энергозатратных процессов в производстве. Еще один плюс перовскитной панели — ее можно печатать на промышленных принтерах, например на стекле или гибкой подложке. Это значит, что такие солнечные панели будут интегрировать на поверхность любой кривизны: полностью закрывать ими фасад здания или делать из них витражи. 

Ɔ. Почему тогда перовскит до сих пор не заменил на рынке кремний?

Проблема в том, что пока такие панели живут не очень долго — около года, а кремниевую можно поставить на крышу и забыть о ней лет на 20, иногда чистя ее от грязи и снега. Тут сразу возникает вопрос: зачем мы этим тогда занимаемся? Срок работы панелей можно продлить. Те же органические светодиоды, которые сейчас используют в перспективных моделях смартфонов и телевизоров, сначала жили секунды, потом минуты, затем сотни часов. Теперь это коммерчески доступный продукт. Так будет и с перовскитными панелями. Кроме того, они лучше, чем кремниевые, преобразуют рассеянный свет в энергию. Кремний отлично работает, когда есть прямое солнце (например, на экваторе или в той же Калифорнии), но не во время пасмурной погоды или при офисном освещении. У перовскита ситуация обратная: при падении интенсивности света его эффективность не падает, а, наоборот, растет. Например, чтобы запитать Bluetooth-транслятор, нужна панель с площадью всего в 5 см2. Недавно мы разработали специальные прототипы для питания гаджетов от рассеянного света, выиграли с ними конкурс «Новаторы Москвы», а сейчас выходим на пилотный проект. Представьте, что скоро можно будет забыть о розетках и пауэрбанках — нужна будет лишь небольшая солнечная панелька, которую легко можно спрятать в карман или свернуть в рулон. Это самое перспективное направление в электронике, над которым работают тысячи ученых по всему миру.

Ɔ. Насколько перовскитная технология дешевле?

Сейчас цена 1 м2 солнечной панели из кремния — около 40 долларов, а из перовскита — 20. В перовскитных элементах 40% от их стоимости — это затраты на подложку из стекла или пластика, плюс прозрачное проводящее покрытие, похожее на верхний слой экрана современного смартфона. 

Ɔ. Производство перовскитных панелей экологично?

Многие думают, что нужно отказаться от строительства АЭС, ГЭС и ТЭС и начать активно использовать солнечную энергию. Но это популизм. Это в Европе и США на домах устанавливают красивые солнечные батареи, а в Китае из-за их производства происходит неконтролируемый сброс жестких химикатов, кислот и прочих отходов в реки. Почему производства перенесли в Китай? В ЕС выше оплата труда и очень жесткое регулирование, которое не позволит сбрасывать в ту же Эльбу что попало. Возвращаясь к перовскитным панелям: в состав молекулы входит свинец, однако его содержание достаточно низкое, толщина всей структуры устройства — 1 микрометр, то есть тоньше человеческого волоса. Раньше в обычных шариковых ручках свинца было больше. Если правильно организовать процесс утилизации отходов, проблем с перовскитом не будет. 

Ɔ. У производителей есть интерес к технологии перовскитных панелей?

Перовскитные панели — это технология не завтрашнего дня, а сегодняшнего вечера. Крупный бизнес это понимает, поэтому охотно финансирует научные разработки. Думаю, что перовскит массово выйдет на рынок в течение ближайших пяти лет. Компании из Великобритании и Китая Oxford Photovoltaics и GSL анонсировали продажи таких панелей уже в следующем году. На Западе связь между университетами и бизнесом теснее, чем в России. У нас многое по-прежнему завязано на государство, но ситуация постепенно меняется. Если говорить о нашей лаборатории, то у нас есть контакты с крупным российским производителем солнечных модулей — компанией «Хевел». Сейчас мы продолжаем работу над прототипами, делаем ставку на маленькие солнечные элементы, с помощью которых можно будет питать гаджеты. Производитель, конечно, смотрит на научные статьи и патенты, но им нужна доведенная до ума технология, под которую можно построить завод и начать продажи.