Уже в ближайшие десятилетия солнечные батареи кардинально изменят энергетический баланс в мире. Прогнозы аналитиков Bloomberg New Energy Finance говорят о том, что к 2040 году свыше 20% всего электричества таких стран, как Австралия или Бразилия будет генерироваться с помощью солнечных батарей. При этом стремительное развитие фотовольтаики может столкнуться с проблемой исходного материала: кремниевые ячейки, которые сегодня используются в большинстве панелей, имеют несколько серьезных ограничений.
Однако научный мир уже готовит замену: перовскитные элементы. Их использование вместо кремния позволит не только решить ключевые проблемы кремниевых аналогов, но и существенно повысить эффективность и географию использования солнечных панелей.
Перовскитом называют редкий для поверхности Земли минерал, титанат кальция, а перовскитами — различные материалы с кристаллической решеткой, схожей с решеткой перовскита. В 2009 году было показано, что перовскиты могут эффективно преобразовывать энергию видимого света в электричество, и с тех пор они считаются одними из самых перспективных кандидатов для создания солнечной энергетики. Так, авторитетный научный журнал Science в 2013 году включил солнечные батареи на основе перовскитов в десятку главных научных прорывов года.
Три проблемы кремния
Главное ограничение кремниевых ячеек состоит в том, что они производятся из материала, который редко встречается в природе (по крайней мере в том чистом виде, который нужен производителям панелей). Для очистки материала необходимо расплавить диоксид кремния при температуре от 1500 до 2000 градусов по Цельсию, что приводит к огромным затратам на электричество и, как следствие, выбросам углекислого газа при генерации. Это само по себе снижает экологичность кремниевых панелей
Перовскиты же сегодня успешно синтезируются в лабораториях благодаря комбинации химических элементов, которая наносится на легкую пленку. Так специалисты из Московского государственного университета проводят успешные исследования по нанесению перовскита на изогнутые поверхности и их интеграцию в строительные материалы любой формы и размера.
Эта особенность перовскитных ячеек позволяет решить вторую важную проблему кремниевых панелей – жесткость и вес. Для оптимальной работы кремниевые ячейки должны быть плоскими и располагаться на больших и тяжелых «классических» панелях.
Наконец, третье ограничение – проблема роста: КПД кремниевых ячеек уже 15 лет как находится на уровне 18–20%. С момента создания первого перовскитного образца, в 2009 году, КПД инновационного материала увеличен в 5 раз – с 4 до 22%, и специалисты видят потенциал в росте до 30% и выше.
Снижение стоимости электричества — существенное, но не единственное преимущество инновационного материала. Неравномерная структура кристаллов позволяет воспринимать не только прямой, но и рассеянный свет, сохраняя эффективность значительно выше кремниевых аналогов. Это позволяет расширить географию потенциального использования солнечных батарей.
Ученым еще предстоит ответить на ряд вопросов прежде чем перейти к промышленному производству, но значительный потенциал технологии уже сегодня заметили ее будущие потребители – энергетические компании. Так, крупнейшая частная энергокомпания России «ЕвроСибЭнерго» выступает индустриальным партнером исследований перовскитных ячеек в МГУ. Компания не только финансирует закупку оборудования, но и предоставляет для проведения полевых тестов ячеек мощности своей действующей Абаканской солнечной электростанции. Генеральный директор «ЕвроСибЭнерго» Вячеслав Соломин надеется, что промышленное использование перовскитов начнется уже в ближайшие годы. В случае успешного тестирования прототипа с заявленными характеристиками будет рассматриваться вопрос о дальнейшей коммерциализации образца и старте массового производства. В таком случае можно будет ставить задачу в предоставлении доступа к солнечной энергетике регионам, удаленным от генерации. В настоящее время по всему миру около 1,2 млрд человек лишены надежного источника электричества.
