Простая и дешёвая солнечная энергетика

В начале июля 2013 года в журнале Nature увидела свет одна примечательная статья, материал которой лишний раз доказывает, что дешёвой и простой солнечной энергии быть, и, более того, это дело уже ближайшего будущего.

В далёком 1988 году молодой человек по имени Михаэль Гратцель (Michael Grätzel ^[1]), ныне профессор в Лозанской Политехнической Школе (EPFL, Швейцария), совместно с Брайаном О’Реганом (Brian O'Regan) предложили на тот момент абсолютно сумасшедшую идею, а именно, использовать красители в солнечных батареях для поглощения света и передачи поглощённой энергии на полупроводник (впоследствии – диоксид титана). После чего электрон «перемещается» по полупроводнику, пока не достигнет анода, а оставшийся без электрона краситель (по сути «дырка», в терминах полупроводников) получает его от ионов I^–, которые, в свою очередь, превращаются в ионы I^3– (так называемая редокс пара), переносящие заряд к катоду. В результате на двух контактах имеется некоторая полезная разность потенциалов. С течение времени такие ячейки стали называть ячейками Гратцеля или Dye-sensitized solar cell ^[2], DSSC (солнечные батареи сенсибилизированные/активированные красителем).

Принцип работы DSSC (Источник ^[3])

И всё было бы хорошо, если не одно НО. С точки зрения физических и химических законов, КПД такой батареи не может превышать 33% — да и то, только в теории. Единственным преимуществом данного рода солнечных батарей является их баснословно низкая себестоимость производства по сравнению с кремниевыми, например. Стоит напомнить, что в 1991 году миром безраздельно правила вера в кремний для земных применений (в том числе и зарождавшийся класс тонкоплёночных технологий) и арсенид галлия (GaAs) для космоса.

Данные, собранные Национальным Институтом Возобновляемой Энергетики (США)

Потребовалось 25 лет поистине титанических усилий (долгое время не удавалось превзойти порог в 10%), чтобы 5-6% эффективности преобразования солнечной энергии в электричество превратились в почти 15%!

Суть совершённого открытия заключается в использовании поликристаллического перовскитоподобного соединения свинца – CH₃NH₃PbI₃ – в качестве сенсибилизатора и медиатора (проводника «дырок»). Данный материал фактически химически осаждается – не требует вакуумных установок – на поверхности мезопористого диоксида титана («шарики» на микрофотографии). Получившийся слоеный пирог имеет толщину около 1 микромера (в ~50-100 раз тоньше человеческого волоса) и при инкупсулировании обычно заживается между двумя более толстыми пластинами стекла:

Микроструктура DSSC: HTM (organic hole-transport materials) – материал, хорошо проводящий «дырки», FTO (fluorine-doped tin oxide) – оксид олова, допированный фтором, играющий роль прозрачного токопроводящего электрода ^[4].

Но вольтамперная характеристика устройства впечатляет:

PCE (Power Conversion Efficiency ^[5]) или эффективность превращения энергии достигла значения 15%! Это поистине знаменательное событие в индустрии солнечных батарей, за которое, между прочим, Михаэля Гратцеля в ноябре этого года наградят одной из престижных премией – премией Марселя Беноиста (Marcel Benoist ^[6]), среди награждённых аж 9 Нобелевских ларуеатов.

Кстати, для справки. В 2009 году Гратцель запустил полупромышленное производство DSSC батарей (для любителей iPad ^[7], например). А, по слухам, в Лозанне планируется установить новые высокоэффективные батареи на крыше дворца правосудия…

Ссылки:
1. Публикация ^[8] в открытом доступе предшествующей работы.
2. Статья ^[9] в Nature.

Автор: Tiberius

Источник ^[10]