Солнечные батареи
Большинство современных солнечных батарей сделаны на основе кремния, но ученые ищут другие решения. Хочется чего-нибудь подешевле, ну и попрозрачнее - может, на основе композитных материалов. А еще лучше было бы придумать какой-нибудь напылитель - чтобы можно было набрызгать на любую стеклянную поверхность, и никаких вам батарей центрального отопления!
Наступило Будущее. Вы покупаете новый дом, и вам предстоит принять множество трудных решений. Какую плитку взять в ванную? Стандартные смесители или затейливые? Какого цвета ковры? Есть о чем подумать и про окна: двойное остекление — точно, однако брать ли солнечные? Агент застройщика говорит, что, если выберете солнечные, придут субподрядчики поставщиков окон и напылят совершенно прозрачное, поглощающее солнечный свет вещество на выбранные вами оконные стекла. Ваши солнечные окна будут снабжать вас электричеством, и его даже можно будет сдавать в государственную электросеть и покрывать до половины стоимости отопления. И отличаться они от обычных окон не будут.
Но это мечта, конечно. Вернемся в настоящее. Здесь нам по-прежнему приходится решать непростые вопросы эффективности — как добывать максимум энергии из солнечного света, а также стоимости производства материалов для этой добычи. И все же не слишком это невообразимо — напыление на окна и другие домашние поверхности веществ, впитывающих солнечный свет. Основная часть разработок уже сделана — по крайней мере, лабораторно.
Начнем с кремния
В наши дни большинство солнечных батарей, которые вы замечаете на зданиях или на фотоэлектростанциях, сделаны из кремния, что неудивительно: кремний повсюду в компьютерных чипах, и мы уже много чего знаем о химии и электронных свойствах этого материала. Первая кремниевая батарея была создана в лабораториях «Белл» — компании, которая разработала транзисторы и метод нанесения схем на кремний, что впоследствии оказалось чрезвычайно важным для производства кремниевых чипов. Об этой солнечной батарее с эффективностью 6% объявили в 1954 году и вскоре ее уже приспособили запитывать энергией орбитальные спутники.
Исследование фотоэлектрического эффекта, впервые открытого в 1839 году французским физиком Александром Эдмоном Беккерелем, глубоко связано с историей лабораторий «Белл» и с химиком Расселом Олем. В 1939 году Оль занимался поиском материалов, способных улавливать коротковолновые радиосигналы. Разбираясь с показателями по кремнию, он включил вентилятор, который располагался между окном и кремниевыми цилиндрами. Оль удивился, заметив, что пики замеряемого им напряжения совпадали с вращением лопастей вентилятора, пропускавшими свет. Недолго почесав в затылке, Оль и его коллеги поняли, что кремний проводит электричество на свету.
Ныне передовые кремниевые фотоэлектрические приборы рвутся к отметке 20%-ной эффективности; они все еще довольно дороги, и на окно такую штуку не пристроишь. И все же мечта об эффективной «встроенной фотовольтаике» становится все ближе к действительности — со времен изобретения органических солнечных батарей, которые, подобно растениям, улавливают энергию солнечного света благодаря органическим молекулам в них. Такие солнечные батареи можно делать из гибких пленок большой площади, их можно скатывать в рулон, гнуть или покрывать ими искривленные поверхности. С ними пока одна неувязка: по эффективности они до неорганических кремниевых батарей не дотягивают.
Переходим на органику
Устройство органической солнечной батареи подобно сэндвичу: вместо ломтей хлеба в ней электродные слои, а между ними — слои органического материала, активируемого солнечным светом. УФ-свет возбуждает электроны в этом материале, они поступают в электродные слои и генерируют электрический ток. Усовершенствование материалов внутренних или внешних слоев этого сэндвича — путь к более эффективным солнечным батареям. Графен, к примеру, опробовали как замену применяемым ныне электродам из оксида индия-олова, и графеновые электроды вполне годятся, судя по статье, опубликованной в 2010-м. И тот и другой электроды прозрачны, но графен предпочтительнее, потому что оксид индия-олова — не очень доступный материал.
«Я бы поставил деньги на солнце и солнечную энергию, такая в них мощь! Надеюсь, мы решим эту задачку прежде, чем у нас кончатся нефть и уголь» Томас Эдисон (1846-1931), американский изобретатель, предприниматель
Химическая компания БАСФ недавно объединила усилия с «Даймлером» — подразделением «Ягуара», — и они теперь вместе делают органические, прозрачные, светособирающие солнечные панели на крыши своих новых электромобилей — «смарт-форвижн». К сожалению, крыша не впитывает энергии достаточно, чтобы хватило на движение, но хоть на кондиционер внутри набирается. Именно низкая эффективность солнечных батарей — их главная теперешняя беда. Они все никак не переберутся за отметку в 12%. К тому же кремниевые солнечные панели служат до 25 лет, а органическому аналогу непросто выжить и половину этого срока. Зато их можно красить в любой цвет, и они гнутся. Так что если вам понадобится гнущийся прибор на солнечной батарее пурпурного цвета, который придется через пару лет выкинуть, органические батареи — ваш выбор.
Солнечное напыление
Пока идет работа с органическими материалами, нацеленная на повышение их эффективности и долговечности, возникают новые материалы. Перовскитоподобные структуры, содержащие и органические, и неорганические составляющие, вошли, по мнению всемирно прославленного журнала «Сайенс», в десятку научных прорывов 2013 года. Эти материалы демонстрируют удивительную эффективность — 16%, и это совсем не предел — есть прогнозы 50%-ной эффективности. Их легко производить, да и методы напыления уже разрабатываются. Быть может, до окошка из Будущего недалеко. Хотя, конечно, покрывать половину вашего счета за отопление — не фунт изюма.
Солнечные батареи на основе красителей
В фотосинтезе энергию солнечного света усваивает хлорофилл, природный пигмент, который передает возбуждение, провоцируемое светом, электронам посредством цепи химических реакций и тем создает химическую энергию. Сенсибилизированные красителем солнечные батареи, изобретенные швейцарским химиком Михаэлем Гретцелем в 1991 году, способны на нечто подобное благодаря нанесенному на них пигментному веществу. Сенсибилизация красителем означает, что краситель делает батарею чувствительной к свету. Этот краситель нанесен на полупроводник внутри батареи, они химически связаны друг с другом, и когда на ячейку батареи попадает свет, он возбуждает электроны в красителе, те «перепрыгивают» в полупроводниковый слой, который превращает их в электрический ток.
Ученые проверили действие сенсибилизаторов порфиринов, аналогичных растительному пигменту хлорофиллу. Наиболее фоточувствительными признаны красители, содержащие переходные металлы - рутений, например, хотя рутений - редкий металл, и потому его на производство солнечных батарей в дальней перспективе не хватит. Эффективность в целом тоже пока низкая. В 2013 году, впрочем, Гретцель и его коллеги в Швейцарском федеральном технологическом институте применили перовскитоподобные материалы и так увеличили эффективность извлечения энергии сенсибилизированными солнечными батареями до 15%.
Перовскитоподобные
Перовскит - природный минерал СаТiO3 (титанат кальция), обладающий специфической кристаллической структурой. Вещества, которые кристаллизуются подобным образом, называют перовскитоподобными. Эти вещества могут представлять собой гибриды органических и неорганических веществ, содержащие галогены (бром или иод) и металлы. Одна такая структура оказалась применительно к солнечным батареям успешнее прочих, ее химическая формула CH3NH3Pbl3 (как видно из формулы, в ней содержится и свинец). Свинец - узкое место с практической точки зрения: он ядовит, и экологические нормы на продукты с его содержанием суровы уже не первое десятилетие. Зато исследователи недавно доказали, что могут перерабатывать свинец из старых аккумуляторов и включать его в состав солнечных батарей.
