24 ноября 2017 Г. Нанотехнологии и наноматериалы Российские нанотехнологии STRF.RU регистрация вход

   
Подписка
Главная / Новости и События / Интервью
Редколлегия
Контакты
Размещение рекламы
Партнёры
форум
В мире НАНО
Реклама

Фонд информационного обеспечения науки

Новости и События

Интервью

Российские учёные разработали гибкие солнечные батареи

Вклад солнечных батарей в мировую энергетику невелик: по данным Европейской ассоциации фотовольтаической индустрии, суммарная мощность всех мировых солнечных электростанций составляет 67,4 ГВт. Для сравнения: мощность электростанций России, по данным Министерства энергетики, – 218 ГВт. Массовости солнечных батарей мешает и высокая стоимость, и низкая эффективность. Но исследования в этом направлении идут в последние десятилетия очень интенсивно. Когда солнечные батареи станут доступны каждому? О новейших тенденциях в этой области рассказывает Дмитрий Паращук, руководитель лаборатории фотофизики органических материалов физического факультета и международного лазерного центра МГУ им. М. В. Ломоносова.

Дмитрий_Паращук
Дмитрий Паращук: «Сейчас органическая фотовольтаика растёт быстрее всех направлений солнечной энергетики»

Справка STRF.ru:
Паращук Дмитрий Юрьевич, доцент физического факультета МГУ, доктор физико-математических наук. Сейчас его лаборатория выполняет работу по трём исследовательским грантам Минобрнауки России: «Повышение эффективности полимерных солнечных фотоэлементов», «Разработка органических солнечных фотоэлементов с повышенным рабочим напряжением на основе полупроводниковых полимеров и металлокомплексов фуллеренов» и «Разработка новых редокс-систем для фотоэлектрохимических преобразователей, не вызывающих коррозии элементов солнечных модулей и повышающих напряжение солнечных элементов до 1,5 В»

В солнечной энергетике сейчас существует много различных подходов – от кремниевых фотоэлементов до наноточек. В чём преимущества и отличия вашего подхода на основе органических материалов?

– Есть три основных параметра фотоэлементов: эффективность, или КПД, срок службы и стоимость. Баланс этих показателей определяет место на рынке, и пока мы находимся в ситуации доминирования кремниевой фотовольтаики (солнечные батареи с фотоэлементами из кристаллического или аморфного кремния. – STRF.ru). Эффективность лучших опытных образцов составляет около 25 процентов, срок службы – десятки лет, а упирается всё в высокую стоимость. Поэтому нужны новые материалы, дешёвые и эффективные. Помимо кремниевых технологий есть ещё наногетероструктурированные, тонкоплёночные на основе неорганики, фотоэлектрохимические ячейки Гретцеля. У каждой из них находились свои особенности, плюсы и минусы. Поэтому взгляд естественным образом упал на органику. Ведь химия – это дешёвая вещь. Все эти пакеты, полимеры вокруг нас стоят недорого, а сами плёнки-фотоэлементы можно будет печатать на принтерах с приличной скоростью и за год покрывать большую площадь. Так что органическая фотовольтаика требует малых затрат и легко масштабируется.

Расскажите, пожалуйста, подробнее о возникновении идеи использовать органические материалы в солнечных батареях.

– В 70-х будущий нобелевский лауреат Ширакава синтезировал проводящий полиацетилен. А первую органическую солнечную батарею в 1986 году продемонстрировал Танг из компании Kodak, эффективность была невысокой – всего около одного процента. Интересно, что патент на неё вышел за восемь лет до публикации. Почему так – загадка. В батарее Танга было два слоя, нанесённых с помощью вакуумного напыления, а структура работала как гетеропереход. С тех пор эта область и стала развиваться. Уже в середине 90-х Хигер (вместе с Ширакавой получил нобелевскую премию в 2000 году. – STRF.ru) показал, что фотоэлемент можно сделать и из смеси полупроводникового полимера и фуллерена. Потом это развилось в концепцию объёмного гетероперехода, на основе которой и построены все лучшие полимерные фотоэлементы. Они показывают 9 процентов эффективности, а рекорд в области органических фотоэлементов принадлежит компании Mitsubishi Chemical – 10,6 процента.

Сейчас органическая фотовольтаика растёт быстрее всех направлений солнечной энергетики. Эффективноcть ещё небольшая, но уже выше, чем у элементов из аморфного кремния.

Как вы делаете фотоэлементы в вашей лаборатории?

– В середине 2000-х, когда мы только начинали работать в этой области, всё выглядело очень необычно. Мы звонили химикам и просили готовить плёнки для нас. После нам привозили сами образцы, характеристики которых мы и снимали. Эффективность получалась никакая, но как-то они работали. Потом мы поняли, что всё, кроме синтеза, естественно, надо делать в одном месте. Стало как в типичных западных лабораториях. Всё, начиная с порошка и кончая устройством, делаем сами – есть помещение для создания плёнок, для анализов. В последнее время в МГУ появилось много нового оборудования. Я считаю, что практически всё есть, чтобы успешно работать в этой области.

И сколько времени уходит на создание одного фотоэлемента?

– Взяли порошок, размешали, поставили растворяться – минут десять. Растворяем от нескольких часов до нескольких суток. Наносим плёнку полимера – минут пять. Для этого нужна подложка, отмытая и с нанесённым вспомогательным слоем – ещё минут 15–20. Затем надо нанести металлические электроды в вакуумной камере; и требуется около часа, чтобы её откачать. Итого для студентов сутки работы, а чистого времени – около двух часов.

Олег_Козлов_наносит_электроды_на_образец_солнечной_батареи
Студент Олег Козлов наносит электроды на образец солнечной батареи. Работа в лаборатории Паращука требует знаний из самых различных областей: физики полупроводников, химии полимеров, вакуумной техники. Поэтому обучению студентов здесь уделяют особое внимание

А как вы подбираете материалы для фотоэлементов?

– Материал нужно скорее не подбирать, а создавать. Идти от неупорядоченных структур к порядку. Мы видим, как в природе хорошо работает высокоорганизованная органика. Поэтому можно рассчитывать на батарею с 10-ти и 20-процентной эффективностью на однокаскадном фотоэлементе, а дальше могут пойти и новые концепции, не связанные с существующим теоретическим пределом эффективности. Ведь мы теряем всё ИК-излучение и часть энергии высокоэнергетичных фотонов с энергией большей ширины запрещённой зоны. Научимся это использовать – будет просто отлично.

Каким образом организована работа научной группы?

– В МГУ, наверное, все испытывают похожие трудности – недостаток специалистов уровня постдок. В нашем коллективе около 25 человек и большинство – студенты, а они не могут уделять много внимания науке. Плюс к этому нужны специалисты с мультидисциплинарным образованием – можно очень хорошо понимать физику и совсем не разбираться в вакуумной технике или полимерной науке. А ещё нужны базовые знания физической химии. Но пока соответствующей образовательной программы нет и студенты, получается, учатся в лаборатории. У нас есть традиция еженедельных отчётов – два студента или аспиранта по 15 минут докладывают свой результат. Кроме того, еженедельно каждый сотрудник обязан заполнять гугл-таблицу. Всего одна строчка – что он сделал за прошедшее время. Таким образом получается следить за работой и результатами каждого.

Результаты исследований вашей лаборатории доходят до практики?

– Смотря что подразумевается под практикой. Когда условия гранта предполагают патентование, мы его делаем. Время от времени ведём переговоры с инвесторами, нашими и зарубежными. Интерес есть, а реальных проектов, за исключением небольшого сотрудничества с LG Chem, нет.

Мы – исследователи, работаем в фундаментальной области. Здесь у нас есть хорошие результаты, публикации, они неплохо цитируются, но мы не можем сами инициировать спрос – это дело бизнеса.

Представим, что в мире наконец была создана эффективная технология. Возникает ряд вопросов. Вспомним излюбленный пример – покрытую солнечными батареями пустыню Сахару, энергии которой хватит на всю планету. А как транспортировать её к потребителю?

– На этом примере с Сахарой лишь демонстрируется потенциал солнечной энергетики. Конечно, должна быть сетевая структура. Где Солнца много – крупные станции, где меньше – локальные источники. Также всё зависит от других технологий. Например, вполне могут появиться сверхпроводящие линии электропередач. В любом случае также нужны локальные решения. Окна, стены, крыши – любая поверхность, обращённая к Солнцу или источнику освещения, должна эффективно использоваться. Есть много смелых идей в этом духе – можно даже электрически освещаемое помещение покрывать тонкими солнечными батареями или встраивать их в окна, зеркала. В масштабах, конечно, это копейки, но забывать нельзя. Плюс нельзя забывать и о накопителях энергии. Солнце-то не всегда есть.

Монокристаллическая_плёнка_АС-5_под_оптическим_микроскопом
Монокристаллическая плёнка АС-5 под оптическим микроскопом. Это перспективное соединение для органической электроники, которое сочетает высокую подвижность зарядов с хорошими люминесцентными свойствами. Может быть использовано в составе светоизлучающих транзисторов и органических лазеров

Нет ли здесь подводных камней? Вот пройдёт 10–20 лет, и фотоэлементы придут в негодность. Как их утилизировать?

– Один из учеников Хигера предлагает создавать биодеградируемую электронику. На аминокислотах или природных красителях, например индиго, которым красят джинсовую ткань. Результаты пока не очень хорошие, но всё это как-то уже работает. А потом взяли и съели, полезно и вкусно. Я утрирую, конечно, но о вопросе утилизации уже нужно думать. В принципе он решаемый, но требования биодеградируемости входят в противоречие со сроком службы. Сейчас над нами висит энергетическая пропасть, которая важнее всего прочего. Остальные проблемы нужно решать по мере поступления, хотя задумываться нужно уже сейчас.

Вы долго работаете в области фотовольтаики, имеете большой опыт. Верите, что лет через десять она придёт в каждый дом?

– Сейчас в Германии вы уже легко можете купить солнечные батареи для своего дома. Всё будет, вопрос только в масштабах и правильном подходе к материалам. Намечается научно-техническая революция, которой общество всегда сопротивляется. Вспомним, как поменяли цивилизацию кремний, металл, бумага, порох или полимеры. Мы близки к этим изменениям, но они очень болезненны для крупных структур.

Те, кто контролируют науку, всегда заинтересованы в соблюдении статуса-кво.

Представьте, если люди перестанут болеть – что будет с фармацевтикой? Для цивилизации лучше, а структура пропадёт. Так что она будет бороться с революцией всеми возможными методами. Это естественно, как и жизнь.

Какие у вашей лаборатории планы?

– Создать органическую солнечную батарею с эффективностью 15–20 процентов и органический лазер с электрической накачкой. Последнее пока никому не удалось, но мы же лазерные люди. Нам этого больше всего хочется.

Беседовал Петров Михаил для STRF.ru

обсудить публикацию

версия для печати



ай вао
Интервью

Композиты на острие 3D-принтинга


Учёные СПбПУ и Сколтеха разрабатывают «софт» и «железо» для трёхмерной печати композиционных изделий

читать полностью читать полностью




Acta Naturae



© ООО «Парк-медиа», 2007-2008

Разработка - Metric

Все права защищены
Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100