Архив   Авторы  
Подсмотрев у растений принцип фотосинтеза, ученые стремятся воплотить его в солнечных батареях

На зарядку становись!
Общество и наукаТехнология

Органические солнечные батареи позволят получать электричество рулонами






 

Солнце поддержит нас, когда на остальные источники электроэнергии надежды не останется. Ведь той солнечной энергии, что доходит до Земли, с лихвой хватит на потребности всего человечества, для которого электричество стало сродни воздуху - без него пропадем. В этом ученые практически единодушны. Но когда возникает вопрос, какими будут те солнечные батареи, которые войдут в каждый дом, стройный хор голосов распадается как минимум на две партии. Одни уверены, что распространенные сегодня солнечные батареи на кремниевых полупроводниках в нашей жизни свое место застолбили - осталось лишь довести их до идеального соотношения цены и качества. По мнению других, это тупиковая ветвь развития, которую в будущем с пьедестала подвинут солнечные батареи на основе органических материалов. При той же, а то и большей эффективности они будут в разы дешевле. За каждой из сторон - научные лаборатории, крупные компании и инвесторы, готовые вкладывать деньги в развитие технологий.

В движении

Принцип действия солнечных батарей строится на том, что свет, попав на фотоэлектрический элемент, провоцирует его составляющие на движение тока. Как правило, фотоэлектрический элемент состоит из двух тонких слоев полупроводникового материала. Один из них обладает свойствами проводника отрицательных зарядов (электронно-проводящая область n), а другой - положительных (дырочно-проводящая область p). Когда солнечный свет по-падает в ячейку, в зоне соприкосновения двух полупроводников происходит разделение зарядов и начинается движение "лишних" отрицательных зарядов от донора к акцептору - принимающей стороне. Солнечная радиация создает электродвижущую силу, которая может перемещать электрический ток во внешнем контуре, подключенном к областям n и p.

Идеально подходящим в этом плане полупроводником является кремний. Он с избытком представлен в природе, являясь вторым по распространенности элементом в земной коре после кислорода. В зависимости от соединения кремний может выступать в качестве проводника положительных и отрицательных зарядов. Так, в соединении с фосфором он превращается в полупроводник-донор электронов, а с бором - в акцептор. Модифицируя по-разному кремний, ученые смогли добиться серьезных результатов эффективности - на сегодняшний день КПД кремниевых солнечных батарей доходит до 20 процентов. При таких раскладах, если, допустим, закрыть солнечными панелями площадь 100 на 100 километров где-нибудь в Сахаре, можно обеспечить электроэнергией все США, потребляющие примерно пятую часть мирового электричества. Идеи создания в пустыне огромной солнечной электростанции уже существуют в качестве проектов. Но только вряд ли дело дойдет до их реализации в ближайшее время. "Безусловно, кремний в избытке присутствует в природе, - объясняет доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Владимир Разумов, - но для повышения эффективности солнечных батарей необходим монокристаллический кремний без примесей. Его производство обходится дорого".

В результате с существующими солнечными батареями получается так - либо дешево, либо сердито. Цена же одного киловатт-часа, полученного от энергии Солнца, в США и Европе составляет около 30 центов, что в 3-5 раз превышает стоимость энергии от традиционных источников. Именно по этой причине солнечное излучение пока рассматривается только как альтернативный источник энергии. К использованию фотоэлектрических панелей сегодня преимущественно прибегают те, кто живет в отдалении от линий электропередачи, - например, владельцы фермерских хозяйств в Австралии, где солнце светит практически круглый год, а также адепты "зеленой" философии. Но даже при этом на сегодняшний день общая мощность солнечных электростанций в мире составляет 10 гигаватт, при том что еще лет пять назад этот показатель не превышал и половины гигаватта. Все они работают на кремниевых полупроводниках, стоимость производства которых к 2020 году обещают снизить настолько, что энергия будет обходиться в 10 центов за киловатт-час. Но к тому времени кремний могут потеснить органические материалы, которые обещают дать такую же эффективность при копеечной себестоимости.

По-живому

История успеха органических материалов в качестве основы для солнечных батарей началась примерно 20 лет назад, когда ученым удалось добиться от них КПД в один процент. Показатель по сравнению с сегодняшними достижениями в области фотоэнергетики ничтожный, но исследователям он подарил надежду и стал первым шагом на пути к созданию батарей на основе органических материалов. Прин-цип их действия тот же, что и у кремниевых фотоэлементов. Слой - донор электронов и слой - акцептор, подложка, на которую наносится активное вещество, и электроды, куда должны быть доставлены заряды. В качестве одного из слоев идеально подошел дырочно-проводящий полимер. За метод получения таких органических полимерных материалов с электропроводностью, сравнимой с электропроводностью металлов, американец Алан Хигер в 2000 году получил Нобелевскую премию по химии. Это открытие, несомненно, стало ключевым в развитии органических фотоэлементов, но попутно ученым пришлось решать важную проблему, связанную как раз с полимерами. В батареях слоистого типа, где активные компоненты наносятся слой за слоем, под воздействием солнечного света электроны перемещаются к электроду в слое акцепторного материала, а положительные заряды - "дырки" - в слое донорного. Вероятность того, что носители заряда вернутся к границам раздела или забредут в другой слой, весьма мала. Вот только в полимерах присутствуют примеси, которые могут помешать движению заряженных частиц и, как следствие, снизить эффективность. И если кремний можно, пусть и с серьезными затратами, очистить, то с полимером этот номер не проходит. Чтобы обеспечить нормальную проходимость к электроду, можно было бы использовать совсем тонкие слои донора и акцептора, но тогда львиная доля солнечной энергии не захватывалась бы, а проходила мимо. Решение удалось найти, заменив слоистую структуру так называемым объемным гетеропереходом. "В этом случае мы имеем дело с мелкой степенью дисперсности, - говорит Владимир Разумов. - Вещества не перемешаны на молекулярном уровне, а если объяснять ненаучными терминами, они существуют как вода и жир в молоке, которые, с одной стороны, перемешаны, но не связаны молекулярно". В случае с объемным гетеропереходом транспорт зарядов к электродам возможен только при строгой упорядоченности фаз донора и акцептора. И в целом ряде случаев такие системы создать удается.

На сегодня главная задача ученых в этом направлении - поиск подходящей партии дырочно-проводящему полимеру. Кандидатов несколько, но с точки зрения отечественных ученых наиболее перспективен фуллерен. Это углеродное молекулярное соединение с кристаллической решеткой в виде выпуклого замкнутого многогранника. Ученые работают не с чистым фуллереном, а с его модификациями, каждая из которых позволяет в той или иной степени улучшить показатели. В Институте проблем химической физики РАН в Черноголовке удалось достичь КПД 4-5 процентов. "Мы работаем в основном с фуллеренами, - говорит Владимир Разумов. - Конечно, исследования ведутся не на бумаге, есть опытные образцы. Но в принципе говорить о промышленном производстве органических фотоэлементов пока рано".

Впрочем, работа ведется не только с фуллеренами - в поисках органического материала ученые готовы испытывать все. Так, специалисты из Массачусетского технологического института использовали фотосинтетические белки, извлеченные из хлоропластов листьев шпината, - они при высокой эффективности в 12 процентов смогли прожить вне естественной среды всего три недели. Японские специалисты предприняли попытку создания искусственных порфиринов - массивов молекул, которые аккумулируют свет и направляют его в пункт назначения.

Происходящее вполне тянет на гонку вооружений. И того, кто в ней победит, можно будет сравнить с путешественником, которому открылась золотая страна Эльдорадо.

Гонка вооружений

Увы, пока свои достоинства в качестве преобразователей солнечной энергии органические материалы демонстрируют преимущественно в лабораториях. Но это скорее вопрос времени. Органические полупроводники, используемые в солнечных батареях, хорошо растворимы в обычных органических растворителях, что позволяет делать из них своего рода чернила и наносить их методом печати на гибкие полимерные подложки. Эта технология уже досконально разработана и используется многими западными компаниями. На выходе толщина полупроводника исчисляется нанометрами, а готовые фотоячейки сравнимы по тонкости с тетрадным листом. Конечно, напечатанные на полимерной подложке солнечные батареи не смогут, как кремниевые, служить по тридцать лет, зато будут дешевыми и мобильными. По подсчетам аналитиков, себестоимость электроэнергии, полученной таким способом, составит 1-2 цента за киловатт-час. В перспективе каждый человек сможет свернуть в рулон персональную автономную электростанцию. Утилизировать ее после выхода из строя будет не сложнее, чем пластиковый пакет. Между прочим, к распространенным сегодня солнечным батареям в плане утилизации у экологов уже накопились вопросы.

Надо отметить, что сторонники кремниевых полупроводников не стоят на месте: недавно японская компания Sanyo представила на суд общественности тонкую и гибкую солнечную ячейку, в которой на слой монокристаллического кремния нанесен экономный вариант кремния аморфного - это позволяет повысить эффективность, снизив при этом себестоимость ячейки.

Вообще же в гонку солнечного вооружения уже включились и крупные компании, и правительства таких стран, как Япония, США и Германия. Концерны Sharp и Siemens финансируют разработку органических материалов для преобразования солнечной энергии, а компания Shell еще в 2005 году приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкопленочных элементов и продала свой бизнес по производству монокристаллических кремниевых фотоэлектрических элементов. В США, кажется, делают ставку именно на солнечную энергию. Над исследованиями в этой области работают многочисленные университеты и специализированные научные центры. Для координации работ два раза в год устраиваются тематические конференции. На развитие программы создания солнечных батарей в США из различных источников выделено за последнее время не менее 10 миллиардов долларов. И каждый год объем исследований увеличивается.

Мы же в этой гонке вооружений по масштабу точно проигрываем. При том что у нас имеются свои производители кремниевых батарей, продукция которых пользуется спросом у тех же австралийцев. По производству солнечной энергии в мире наш вклад не превышает и одного процента. А значит, в скором времени мы рискуем остаться без места под Солнцем.

Добавить в:  Memori  |  BobrDobr  |  Mister Wong  |  MoeMesto  |  Del.Icio.Us  |  Google Bookmarks  |  News2.ru  |  NewsLand.ru

Политика и экономика

Что почем
Те, которые...

Общество и наука

Телеграф
Культурно выражаясь
Междометия
Спецпроект

Дело

Бизнес-климат
Загранштучки

Автомобили

Новости
Честно говоря

Искусство и культура

Спорт

Парадокс

Анекдоты читателей

Анекдоты читателей
Популярное в рубрике
Яндекс цитирования NOMOBILE.RU Семь Дней НТВ+ НТВ НТВ-Кино City-FM

Copyright © Журнал "Итоги"
Эл. почта: itogi@7days.ru

Редакция не имеет возможности вступать в переписку, а также рецензировать и возвращать не заказанные ею рукописи и иллюстрации. Редакция не несет ответственности за содержание рекламных материалов. При перепечатке материалов и использовании их в любой форме, в том числе и в электронных СМИ, а также в Интернете, ссылка на "Итоги" обязательна.

Согласно ФЗ от 29.12.2010 №436-ФЗ сайт ITOGI.RU относится к категории информационной продукции для детей, достигших возраста шестнадцати лет.

Партнер Рамблера