Когда перовскитные фотоэлементы перевернут мир?
Кажется, серьёзные намерения ряда западных стран, с экономической точки зрения отдающие маниловщиной и наглядно критикуемые угольным Китаем, который выдавливает с рынка «зелёный» ЕС, наконец-то приобретают под собой серьезные технические основания.
Не останавливаясь на плюсах солнечной энергетики, о которых все наслышаны, сразу напомним о минусах: пока она разумна для Сахары и экономически самоистребительна для Германии. Мы бы даже сказали, что в первой целесообразные решения, подобные переходу на возобновляемое электричество, принимаются реже, чем во второй. Правда, в последние годы эти два земных уголка по рациональности решений в области энергетики не так уж сильно отличаются. Дорогие кремниевые батареи на родине сумрачного тевтонского гения выглядит не лучше, чем энергетический даосизм граждан африканских пустынь.
Для производства самого перовскитного материала не нужны тысячи градусов и сверхвысокая чистота конечного продукта. (Здесь и ниже иллюстрации Oxford Photovoltaics.)
Чтобы поправить это, нужны сущие пустяки: либо поднять эффективность солнечных батарей в несколько раз, при этом не повысив цену, либо удешевить в 10–100 раз, пусть даже ценой падения КПД; главное — перебить нехватку солнечного света в развитых странах. Как вы понимаете, всё это принципиально не сложнее полёта на Луну — и, как и такие полёты в обозримом будущем, далеко от реальности. Но есть и третий путь.
Материалы типа хлорид-иодида метиламмония свинца с формулой типа CH3NH3Pb2Cl могут сломать шаблон «либо дорого, либо с низким КПД».
Профессор Мартин Грин (Martin Green) из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия), один из ведущих исследователей в области перовскитных солнечных батарей, замечает, что их можно изготавливать «при помощи очень простой и потенциально дешёвой технологии, при том что их эффективность растёт исключительно быстро». И действительно, группа Михаэля Гретцеля, открывшего одноимённые ячейки и затем переключившегося на их перовскитные варианты, недавно добилась от них КПД в 15,4%. Да, это норма для сегодняшних фотоэлементов из кристаллического кремния, но значительно больше, чем у полимерных солнечных батарей или стандартных ячеек Гретцеля. Главное — материал этот «дешёв, как грязь», по словам самого г-на Гретцеля.
Перовскитные материалы имеют сравнительно простую структуру и не нуждаются для своего производства в энергоёмких и сложных процессах: не требуют вакуумных камер и тысячеградусных температур, как кристаллический кремний, или даже сверхвысокой чистоты самого материала. Его ещё и расходуется меньше, поскольку стандартный фотоэлемент на кремнии в толщину имеет 180 мкм, а перовскитные ячейки — всего 1 мкм, то есть по кубометру на квадратный километр площади. Следовательно, они много легче и требуют более дешёвых поддерживающих конструкций, а также без труда могут наноситься на обычные поверхности вроде домовых стен и пр. В итоге оценка стоимости новых фотоэлементов при массовом производстве весьма заманчива: 10–20 центов за ватт мощности при стоимости нынешних фотоэлементов made in China в 75 центов за ватт (без установки и поддерживающих рам). Напомним, что для ветротурбин общая стоимость той же единицы установленной мощности превышает доллар, а для ТЭС доходит до полутора.
Наконец, сам г-н Гретцель заявляет, что нет никаких причин, по которым КПД перовскитных ячеек не может вырасти до 20–25% при той же цене, а такая эффективность уже равна лучшим кремниевым достижениям в лабораториях. Мы могли принять его слова за оптимизм первооткрывателя, если бы не факты. Они упрямы: в 2009 году, когда появился первый перовскит-фотоэлемент, 3,5% для них были потолком; в прошлом году рекордом стали 11%; сегодня же зафиксирован показатель в 15,4%. Рост КПД в 4,4 раза за четыре года сопровождался резким увеличением ресурса ячеек, нынче доведённого до уровня обычных массовых аналогов.
Причём потенциал роста не исчерпан: материал хорошо проводит заряд — лучше оксида титана, первоначально использовавшегося в ячейках Гретцеля. Электролит в нём твердый, что исключает вероятность замерзания, а перовскитная плёнка на поверхность пористого оксида алюминия (изолятор) наносится обычным накручиванием.
Есть и попытки коммерциализации: Oxford Photovoltaics во главе с Генри Снейтом (Henry Snaith) из Оксфордского университета уже собрала $4,4 млн инвестиций. Учитывая, что оригинальные ячейки Гретцеля на диоксиде титана, несмотря на не столь высокую эффективность, уже коммерциализированы (в том числе на чехлах iPad 'ов), нет оснований сомневаться в неплохом будущем перовскитов.
На первом этапе прямой конкуренции можно избежать: плёнка перовскитного фотоэлемента легко наносится на кремниевую солнечную батарею, резко наращивая её КПД, повышая стоимость не более чем на 20%. Есть и недостаток, конечно: нынешние варианты этого вещества включают некоторое количество свинца, а значит, при широком развёртывании без утилизации они неизбежно попадут в воду и наши кости, делая с ними всё те же ужасные вещи, что и с древнеримскими. Но не стоит драматизировать: квадратный километр перовскитных фотоэлементов содержит куда меньше свинца, чем аккумуляторы 1 000 легковых автомобилей, так что догнать угрозу от свинцовых АКБ у новых ячеек всё равно не выйдет, да и их утилизация не так сложна.
Его можно легко наносить на стекло, что особенно важно сейчас, когда удешевление самих фотоэлементов делает долю несущих их рам и установки всё более значимой.
Но положение всё равно не без сложностей: нынешние лабораторные успехи требуют массового тиражирования. Вспомним, что кристаллический кремний в солнечных батареях по своей сути за последние двадцать лет не слишком изменился. Но если в 1993-м он был предметом повышенного интереса в основном в лабораториях, то сегодня кремниево-солнечная энергетика удваивается раз в пять лет, и после очередного скачка в 2018 году цена вырабатываемого ею киловатт-часа должна упасть до 14 центов, то есть ниже той, которую к тому времени будете оплачивать вы, читатель. Несомненно, на действительно массовый уровень перовскитам не выйти ни за пять, ни даже за 15 лет. Но, кажется, к 2030 году немецкая решимость переориентировать свою энергетику на Солнце больше не будет выглядеть экономическим самоубийством — в отличие от российской «равнодоходности», которую нам обещают устроить гораздо раньше...
Подготовлено по материалам Technology Review.
Источник: compulenta.computerra.ru.
Рейтинг публикации:
|
