Путь к солнцу: дадут ли новые батареи второй шанс солнечной энергетике

Доля солнечной энергии в мировой генерации выросла с 0,15% в 2010 году до 3,72% в 2021-м. Рост почти в 25 раз, разумеется, впечатляет. Но это рост с исчезающе малой доли до просто незначительной. Да и он стимулируется финансовыми мерами, от налоговых послаблений до зеленых тарифов (feed-in tariffs) на электроэнергию.

Главная проблема солнечной генерации общеизвестна. Энергия вырабатывается только днем, причем ее количество зависит от времени года, суток и погодных условий. Как при этом обеспечить круглосуточное стабильное снабжение потребителей? Можно создавать дублирующие электростанции, но это дорого. Можно генерировать избыток энергии и запасать его. Но современные аккумуляторы не так хороши, как хотелось бы — эта проблема хорошо знакома производителям электромобилей. А можно оставить долю солнечных электростанций незначительной, чтобы суточные и сезонные колебания было легко компенсировать, маневрируя традиционной генерацией. Тем более, что солнечных и ветровых ресурсов Земли просто не хватит, чтобы совсем отказаться от традиционной энергетики.

И все же солнечной энергетике есть куда расти. Один из возможных путей — это замена традиционных батарей на более эффективные, дешевые и экологичные в производстве. Эта мера не решит всех проблем, но может сделать отрасль более привлекательной.

Эпоха кремния

Обычные солнечные батареи (они же солнечные элементы и фотоэлементы) делаются из кристаллического кремния. Они преобразуют в электричество около 20% получаемой солнечной энергии. Эта величина называется эффективностью преобразования мощности, или просто эффективностью. Низкая эффективность — один из главных недостатков коммерческих солнечных батарей.

Множество научных групп по всему миру работают над созданием более эффективных солнечных батарей. Текущий рекорд превышает 47%. Но более эффективная батарея может оказаться недолговечной, дорогой или состоящей из токсичных материалов. Например, довольно эффективные (29%) фотоэлементы из арсенида галлия стоят очень дорого и потому используются в основном в космической технике. На орбите можно и доплатить за лишний солнечный киловатт: его все равно неоткуда взять, кроме Солнца. А на Земле батареи из сравнительно недорогого кремния со сроком службы 20-30 лет пока остаются лучшим компромиссом между разноречивыми требованиями.

Однако ученые шаг за шагом преодолевают недостатки новых батарей. На смену кремнию уже готовятся прийти несколько материалов. И, возможно, самый перспективный из них — перовскиты.

Недолговечное счастье

Строго говоря, перовскитом называется минерал на основе титаната кальция (CaTiO3), названный в честь основателя Русского географического общества Льва Перовского. Для перовскита характерно особое расположение атомов в кристалле. Структуры такого типа стали называть перовскитными, а образующие их вещества — перовскитами. В этом смысле термин и прижился в материаловедении, несмотря на понятное возмущение геологов. Таким образом, перовскиты — обширный класс очень разных по составу веществ, большинство из которых не имеют ни малейшего отношения к одноименному минералу.

В экспериментальных солнечных батареях обычно используются перовскиты на основе солей свинца. Часто к ним добавляются другие вещества, в том числе органические. Эффективность таких фотоэлементов выросла с 11% в 2012 году до 26% в настоящее время. По этому показателю они уже обогнали традиционный кремний, и вполне вероятно, что рост на этом не остановится. А комбинированные перовскит-кремниевые элементы достигают и большей эффективности.

Однако у перовскитов есть свои проблемы. Главная из них — недолговечность. Влага, кислород и даже сам солнечный свет быстро повреждают материал. Эта проблема так остра, что перовскитная батарея, сохраняющая 80% от исходной эффективности в течение 17 суток, недавно удостоилась публикации в журнале Nature.

Недолговечность перовскитов — это не только экономическая, но и экологическая проблема. Производство кремниевых батарей справедливо критикуют за множество токсичных отходов. Именно из-за них пресловутая экологичность солнечной энергетики по меньшей мере сомнительна. Но по крайней мере готовый кремний не опасен для человека. О солях свинца в перовскитах этого не скажешь. При постепенном разрушении батарей они попадают в окружающую среду со всеми вытекающими последствиями.

Заменить золото

Еще один болезненный вопрос — себестоимость перовскитных устройств. В упомянутой выше работе, опубликованной в Nature, к банальным солям свинца и олова добавили такие редкие и дорогие металлы, как рубидий и цезий. То есть долговечность фотоэлемента повысили за счет его цены. Дороговизны добавляет и задний контакт — электрод, расположенный за фотоэлементом и снимающий вырабатываемый ток. В перовскитных батареях его обычно делают из серебра или золота. Более того, слой драгоценного металла приходится наносить при высокой температуре и в вакуумной камере, что тоже не удешевляет устройство.

В последние годы было много попыток заменить золото на углерод. Он похож на благородный металл по ключевой характеристике — работе выхода электронов. Однако большинство таких разработок требовало графена, нанотрубок или других дорогостоящих форм углерода. Кроме того, на углеродных электродах плохо сказывались естественные перепады атмосферного давления.

Эта проблема была решена в научной работе, недавно опубликованной в журнале ACS Energy Letters. Ученые заменили золото на недорогой двухслойный материал. Один слой состоит из графита с добавкой никеля, а другой — из сплава индия с висмутом. Электрод формируется при умеренных температурах, без вакуума и не требует постоянного контроля давления при работе. Эффективность перовскитного фотоэлемента с новым электродом достигла 21% — вполне приличный, хоть и не рекордный, показатель. Впрочем, о его долговечности ничего не сообщается.

В общем, разработчикам предстоит решить еще множество проблем, прежде чем перовскитные элементы выйдут на рынок. Однако это обычная судьба новых технологий. Путь литий-ионных аккумуляторов от лаборатории до серийной продукции тоже занял несколько десятилетий. Вполне возможно, что уже в обозримом будущем на крышах многих домов будут красоваться перовскитные батареи.