Журнал «Эковестник», №3 • 2019 г. Читать весь номер онлайнResponsive image

Солнце в кармане. Молодой ученый разрабатывает солнечные батареи на основе органических материалов

Ведущий научный сотрудник Института синтетических полимерных материалов им. Н. С. Ениколопова Юрий ЛУПОНОСОВ победил в номинации «Нетрадиционная энергетика» XV Общероссийского конкурса молодежных исследовательских проектов в области энергетики «Энергия молодости». Его проект посвящен разработке полупрозрачных и гибких солнечных батарей на основе органических материалов.

— Юрий, как появилась идея создания таких батарей?

— В связи с тем что традиционные источники энергии — уголь, нефть, газ исчерпаемы, а их использование ведет ко многим экологическим проблемам, сегодня крайне актуален вопрос получения энергии из альтернативных источников. Наиболее перспективным является Солнце — неисчерпаемый, экологически безопасный и бесплатный источник энергии. Количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли в течение недели, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. Для ее поглощения и преобразования в электричество разрабатываются различные солнечные батареи.

Конкурс «Энергия молодости» проводится ассоциацией «Глобальная энергия» с 2004 года для поощрения наиболее перспективных научных проектов молодых ученых до 35 лет. В 2018 году лучшими были признаны проекты по разработке органических солнечных батарей, созданию калийионного аккумулятора и оптимизации добычи углеводородов.

Исторической точкой отсчета в направлении создания органических солнечных батарей можно считать начало XX века, когда была обнаружена фотопроводимость антрацена. Затем, в середине того же века, началось использование различных пигментов растений вроде хлорофилла и его близких аналогов, участвующих в процессе фотосинтеза, для создания первых прототипов органических солнечных батарей. Известно, что в процессе фотосинтеза у растений в пигментах происходит преобразование солнечной энергии в энергию химических связей. Можно предположить, что идея создания солнечных батарей на органической основе первоначально была во многом позаимствована у природы. Однако ввиду малой эффективности первых устройств на основе пигментов это направление не получило дальнейшего развития. Следующий качественный сдвиг усовершенствования органических солнечных батарей связан с открытием органической электроники как таковой. Дело в том, что в 1977 году было открыто повышение электрической проводимости допированного йодом полиацетилена — органического полимера, что послужило мощным толчком к изучению органических сопряженных материалов и созданию различных устройств на их основе. Кстати, в 2000 году основатели этого прорывного направления Сиракаве, Мак-Диармид и Хигер получили Нобелевскую премию по химии «За открытие проводимости в полимерах».

— Каковы преимущества новых панелей по сравнению с кремниевыми аналогами?

— Во-первых, небольшая толщина устройства, которая, как правило, находится в диапазоне от 100 до 200 нанометров, то есть тоньше человеческого волоса. Благодаря гибкости и легкости такие панели можно сворачивать в рулон и использовать в качестве мобильных источников электроэнергии, наносить на ткань туристических палаток, одежду военных и т. д. Эти панели могут быть изготовлены разной формы и размера и установлены на любую плоскую или изогнутую площадь зданий и сооружений. Легкие панели не принесут серьезной нагрузки на архитектурные объекты, не потребуют больших затрат и специальных условий при монтаже.

Кроме того, благодаря небольшой толщине фотоактивного слоя органические солнечные батареи могут быть полупрозрачными. Цвет полупрозрачных панелей может варьироваться в зависимости от типа используемого в них органического материала и быть практически любым — красным, оранжевым, фиолетовым, желтым. Цветные полупрозрачные батареи можно будет наносить на оконные конструкции, стеклянные фасады небоскребов и офисных зданий, где они, с одной стороны, смогут использоваться в качестве штор, защищая помещения от перегревания, с другой — вырабатывать электроэнергию. необходимую для здания и помещений.

Помимо функциональных преимуществ органических панелей важно отметить и экономику их производства. На сегодняшний день традиционные солнечные панели на основе кристаллического и поликристаллического кремния пока не получили массового распространения, хотя обладают высокой эффективностью (около 20 процентов) и большим сроком службы (20–30 лет). Во многом это связано с высокой стоимостью их производства, которое требует определенных условий: работы в специальных «чистых комнатах», применения высоковакуумных и высокотемпературных процессов. А при изготовлении органических солнечных батарей почти все процессы могут быть произведены в обычных условиях при комнатной температуре, что имеет большое экономическое преимущество.

Еще одним достоинством новой технологии являются сжатые сроки производства. Поскольку органические полупроводники растворимы в большинстве традиционных растворителей, то активный слой таких фотоэлементов можно печатать современными методами струйной или рулонной печати с большой скоростью. Например, одна линия рулонной печати может изготовить в год такое количество органических солнечных батарей, что их суммарная мощность будет сопоставима или будет превосходить мощность всех кремниевых солнечных батарей, произведенных за целый год на всех заводах мира.

— На каких физических явлениях основан принцип получения энергии в новых батареях?

— Устройство стандартных органических солнечных батарей во многом аналогично устройству органических светоизлучающих диодов — технология OLED (organic light-emitting diode). Оба направления развивались взаимосвязанно, поэтому первые органические солнечные батареи иногда называли светочувствительным диодами. В одном методе электричество преобразуется в свет, во втором, наоборот, свет преобразуется в электричество.

«Успешная реализация моего проекта, направленного на разработку гибких и полупрозрачных солнечных батарей на основе стабильных и недорогих материалов, позволит продвинуться на пути к коммерциализации органических фотоэлементов и перейти к массовому использованию энергии Солнца не только в России, но и за рубежом».

Такие устройства имеют слоистую структуру: активный слой толщиной всего 80–150 нанометров, а между слоями электродов органические сопряженные соединения. Поскольку там обычно используется смесь таких веществ, а не одно. Важным аспектом является прозрачность одного из электродов, что позволяет свету попадать и излучаться в или из органического слоя. В случае диодов на электроды подается ток, что приводит к инжектированию заряженных частиц в слой органического полупроводника, а при рекомбинации происходит излучение света.

Принцип работы органических солнечных батарей «обратный» принципу работы диодов. Здесь обычно используются органические сопряженные материалы, поглощающие свет в широком диапазоне. В результате воздействия солнечного света происходит возбуждение электронов в органическом слое, образуются экситоны. Экситоны диссоциируют на заряженные частицы, которые движутся к электродам, цепь замыкается, и образуется ток.

— Какие перспективы для применения даст реализация проекта?

— На данный момент мы находимся в ситуации доминирования кремниевой фотовольтаики — солнечных батарей с фотоэлементами из кристаллического или аморфного кремния, которые занимают около 90 процентов всего мирового рынка солнечных батарей. Однако в последнее время активно разрабатываются новые поколения солнечных батарей, отличающиеся более дешевыми и экологичными способами производства. Среди таких вариантов: солнечные батареи на основе аморфного кремния с эффективностью около 10–12 процентов, кадмий-теллуровые с эффективностью около 15 процентов, перовскитные с эффективностью более 20 процентов и на основе селенида меди-индия-галлия (CIGS) c эффективностью 15–20 процентов. Отдельно можно выделить разработки фотоэлементов на основе сопряженных органических материалов, эффективность лабораторных образцов которых достигает 16 процентов, а срок службы оценивается в десять лет.

«Несмотря на ряд преимуществ органических солнечных батарей, их коммерциализация все еще не произошла. Это можно объяснить рядом нерешенных общих и частных проблем, в числе которых недостаточная стабильность и высокая стоимость органических полупроводников, используемых для изготовления фотоактивного слоя. Все это требует от ученых продолжения работ, направленных на поиск и разработку новых органических материалов с повышенной стабильностью и оптимизацию фотовольтаических устройств на их основе».

Учитывая, что на 70 процентах территорий России до сих пор отсутствует централизованное энергоснабжение, но имеется достаточное количество солнца, там следовало бы сделать акцент на развитии малой солнечной энергетики. В то же время сегодня процент генерации солнечного электричества от общего количества вырабатываемой электроэнергии в нашей стране составляет менее 0,1 процента, что говорит об огромном потенциале развития этой области в ближайшем будущем.

— Как вы считаете, сколько времени потребуется, чтобы наладить коммерческий выпуск органических батарей?

— На сегодняшний день ученые достигли эффективности около 16 процентов для лабораторных прототипов органических фотоэлементов, что уже сравнимо с неорганическими аналогами. Боюсь ошибиться в прогнозах, но есть основания полагать, что массовая коммерциализация органических солнечных батарей может начаться в ближайшие четыре — шесть лет.

— Насколько экологически безопасно производство солнечных органических батарей?

— Основные риски по токсичности могут быть связаны с использованием органических растворителей при печати активных слоев, поскольку наиболее популярными являются хлорсодержащие растворители. Однако множество научных работ показывает, что хлорсодержащие растворители можно заменить на так называемые «зеленые» аналоги. В любом случае растворители в этих процессах должны по максимуму регенерироваться при производстве и не попадать в окружающую среду. Более того, для промышленного производства солнечных батарей потребуется на порядки меньше энергии, чем для производства традиционных кремниевых фотоэлементов. Это значит, что и выбросов в атмосферу будет существенно меньше.

— Разработки современных технологий уже немыслимы без междисциплинарного подхода на стыке различных наук. Важна ли для вас помощь коллег в Институте синтетических полимерных материалов им. Н. С. Ениколопова?

— В органической фотовольтаике многие направления химии и физики переплетены между собой, и подобные исследования, от разработки материалов, изучения их свойств до непосредственно изготовления устройств, не могут быть реализованы учеными только одного направления. В таких областях задействованы, как правило, ученые разных специальностей: химики, физики, материаловеды. Поэтому по направлению органических солнечных батарей я активно сотрудничаю не только с коллегами из Института синтетических полимерных материалов РАН, но и из Международного учебно-научного лазерного центра МГУ, Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН, Курчатовского института, а также с рядом коллег из Китая, Голландии и Германии. Междисциплинарные исследования обогащают мой научный опыт, всегда есть возможность узнать что-то новое у своих коллег и применить это на практике.

Понравился материал? Поделитесь с коллегами
Свежий номер «»

«Эковестник» №2 • 2021

Читать

Спасибо за оставленую заявку!
Менеджер свяжется с Вами
в ближайшее время.