Солнце – даром

Последний писк солнечной энергетики - гибкие солнечные батареи.
Фото Reuters

В течение летнего солнечного дня Солнце изливает на Землю такое количество дармовой энергии, которое обеспечило бы энергопотребление всей планеты в течение десятка лет! Но мы сегодня с помощью дорогостоящих солнечных батарей можем уловить лишь ничтожную часть солнечного потока. Поэтому понятны усилия ученых, которые пытаются хоть как-то исправить положение. Тем более что у них перед глазами вроде бы примитивные водоросли, не говоря уж о высших растениях, которые прекрасно справляются с задачей, обеспечивая нас энергией, накопленной в химических связях органики.

Французские ученые нашли ископаемое «слоевище» – ковер, мат – обызвествленных древнейших фотосинтезирующих микроорганизмов, возраст которых оценен более чем в 3 млрд. лет! Но даже простейшие живые клетки используют слишком сложную и капризную светоулавливающую систему, состоящую из протеинов и пигментов. Воспроизвести ее сегодня не представляется возможным – дешевле построить теплицу и наладить агропроизводство. Поэтому исследователи Шеффилдского и Кембриджского университетов идут иным путем.

Ими предложен метод получения солнечных «ячеек» (сеlls) из раствора, содержащего смесь органических соединений. Этот раствор напыляется на поверхность. Метод может использоваться как в промышленном производстве, так и дома. При этом толщина полимерного слоя не превышает 60 нанометров (это всего лишь в 10 раз толще клеточной оболочки-мембраны), что делает слой легко проницаемым для солнечных фотонов.

Структуру пленки исследовали неразрушающим методом с помощью рассеяния нейтронов и рентгеновских лучей. При этом было определено срединное расположение слоя, отвечающего за конверсию – преобразование энергии квантов света в вольты электричества, что и составляет суть работы фотовольтаиков. К сожалению, пока пластиковые ячейки имеют КПД лишь в 7–8%, что крайне мало, чтобы конкурировать с существующими кремниевыми батареями.

Новый материал получил сокращенное название РСDТВТ, и он состоит из многих сочлененных друг с другом углеродных колец. В его состав входят также сера и азот, метил и фенил, а также масляная кислота «бутират». Пятнадцать лет назад за создание этого органического «монстра» Ричард Смолли и Харри Крото были удостоены Нобелевской премии по химии.

Доктор Винная Гупта из Национальной физической лаборатории в Нью-Дели предложил использовать для создания ячеек графеновые квантовые точки (ГКТ) диаметром всего 9 нанометров! Графен уже показал себя в многочисленных исследованиях прекрасным акцептором, то есть материалом, принимающим электроны на себя. К тому же графен славится высокой мобильностью электронов, что снижает потери тока и повышает эффективность солнечной батареи. Немаловажно и то, что ГКТ не требуют в своем производстве использования таких токсических металлов, как кадмий и свинец.

Гупта со своими коллегами смешал ГКТ с полимером, что резко увеличило «выход» электронов по сравнению с графеновыми пленками. Новый материал зарекомендовал себя с лучшей стороны по сравнению с существующими акцепторами. Это позволяет надеяться на создание не только значительно более дешевых солнечных ячеек, но также и органических светодиодов (OLED).

А по другую сторону Индийского океана, в Университете австралийского Мельбурна Брэндон Макдоналд запатентовал технологию изготовления чернил с полупроводниковыми нанокристаллами, с помощью которых можно печатать на любой поверхности. Это позволяет наносить солнечные ячейки на любой материал, тратя при этом минимум материалов и энергии. «Проблема с традиционными солнечными батареями наряду с их низким выходом электроэнергии заключается в сложности и дороговизне производства, – подчеркивает новый Гутенберг. – Использование нанокристаллических чернил делает производство непрерывным и весьма дешевым».

Нанокристаллы – это те же квантовые точки, представляющие собой полупроводниковые частицы диаметром в несколько нанометров. Малый размер позволяет им оставаться во взвешенном состоянии в растворе, который может наноситься в несколько слоев даже на гибкие поверхности типа металлической фольги или полиэтилен. Последовательное нанесение слоев способствует «залечиванию» возможных дефектов, возникающих при высыхании чернил.

Результат подобной «лакокрасочной» техники – прочная однородная пленка со свойствами солнечной ячейки, но чрезвычайно легкая и удобная в монтаже (чего не скажешь о нынешних тяжелых и хрупких кремниевых солнечных панелях). Макдоналд оценивает затраты материалов и энергии на свою пленку всего лишь в один процент по сравнению с традиционными батареями.