Группа ученых НИТУ «МИСиС» под руководством профессора
Анвара Захидова представила технологию создания тонкопленочного фотоэлемента на
основе гибридного металл-органического соединения — перовскита, позволяющего
преобразовывать энергию солнечного излучения в электрическую с КПД выше 15%,
при планируемых показателях более 20%. В ближайшее время легкие, гибкие и
дешевые панели солнечных батарей на основе перовскитов будут использоваться для
зарядки и электропитания устройств в спектре от планшета до электросетей
зданий.
Альтернативная энергетика формата «solar power»
развивается давно и успешно за счет солнечных кремниевых батарей. Однако
существенный минус технологии — ее дороговизна из-за высокотехнологического,
энергоемкого и токсичного производства кремния, который отличается малой
гибкостью, хрупкостью и большой массой панелей, что сильно сужает диапазон его
применения.
Металло-органические перовскиты, как класс соединений, —
это революция в материалах для оптоэлектроники и солнечной энергетики, которая
вывела ее на принципиально новый уровень. Его уникальность в новом механизме
преобразования солнечной энергии в электрическую с повышенной эффективностью.
Научный коллектив НИТУ «МИСиС», состоящий из сотрудников
Центра энергоэффективности, кафедры полупроводниковой электроники и физики
полупроводников, совместно с коллегами из университета Техаса в Далласе
(University of Texas at Dallas) впервые в России создал прототип тандемного
устройства с применением фотовольтаических ячеек в монолитном соединении с
использованием углеродных нанотрубок. Многослойный тандем может сочетать в себе
подъячейки из перовскита (на основе солей иодида свинца и метил-аммония йода) с
традиционными кремниевыми солнечными элементами для преобразования в
электричество всего спектра видимого излучения солнечного света.
«Ученые НИТУ "МИСиС" стали первым в нашей
стране научным коллективом, которому удалось создать прототип тандемного
перовскитного фотоэлемента. Проект по разработке альтернативных источников
энергии данного типа не имеет аналогов в России, и обещает стать прорывом в
сфере автономной энергетики. Сейчас ученые тестируют полученный прототип
устройства и планируют перейти к промышленным испытаниям фотоэлемента в 2017
году», — сообщила ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова.
Главное революционное преимущество перовскитной
технологии, выводящее фотовольтаику на новый уровень, — активные слои этих
солнечных элементов возможно наносить из жидких растворов на тонкие и гибкие
подложки. Так называемая технология «Roll to roll» позволяет размещать
солнечные батареи на поверхностях любой кривизны. Это могут быть оконные
полупрозрачные «энерго-шторы» домов и машин, фасады и крыши зданий, бытовая
электроника, гаджеты и т.д.
Таким образом, диапазон применения такой «зарядки от Солнца»,
по сравнению с традиционными кремниевыми солнечными батареями, расширяется на
порядок — в него попадают вся носимая электроника, автопром, бытовая техника,
технологии «умный дом», обеспечение электричеством жилых домов и помещений.
На сегодняшний день расчетная стоимость квадратного
метра перовскитных солнечных панелей составляет менее 100 долларов США, тогда
как квадратный метр лучших кремниевых обходится в 300 долларов США. В массовом
производстве разница станет 4-6-кратной. Дешевое производство нового класса
устройств позволит значительно сократить использование традиционной энергетики
за счет экологически чистой и доступной фотовольтаики.
По словам руководителя проекта Анвара Захидова, «главным
преимуществом гибридных перовскитов является простота их получения из обычных
солей металлов и промышленных химических органических соединений, а не из
дорогих и редких элементов, используемых в высокоэффективных полупроводниковых
аналогах, таких, как солнечные батареи на основе кремния и арсенида галлия. Не
менее важно, что материалы на основе перовскита могут быть использованы для
печати фото-электроники не только на стекло, но и на другие материалы и
поверхности. Это делает батареи гораздо дешевле, чем при более сложных способах
получения тонкопленочных солнечных элементов».
Кристаллы перовскита были открыты в 1839 году на Южном
Урале. Их необычная кристаллическая структура типа ABX3 названа в честь c
русского минеролога Львa Перовскoгo, первым обнаружившего одну из их
разновидностей. Сегодня перовскиты для производства фотовольтаических элементов
синтезируются из простых и доступных химических элементов, типа йода, солей
аммония, бора, свинца. Гибридные перовскиты, в которых А — органическая
молекула (например метил-амин), B — это металл (Pb или Sn), а X — галоген (I,
Br, Cl) — это самая передовая область исследований в сфере солнечной энергетики
третьего поколения, в которой ожидаются существенные открытия в сфере создания
сверхстабильных «сплавов» перовскитов, в том числе, учеными НИТУ «МИСиС».
Профессор Анвар Захидов — ведущий эксперт Центра
энергоэффективности НИТУ «МИСиС», руководитель проекта Программы 5-100,
профессор университета Техаса в Далласе (США). Руководит совместной
российско-американской группой ученых, занимающейся разработкой перовскитных
источников энергии.
Автор: EfreeMaN
