Российский электронный наножурнал (нанотехнологии и их применение)

вернуться в обычный режим
Главная / Новости и События / Интервью


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


http://www.nanojournal.ru/events.aspx?cat_id=227&d_no=4274