Россия готовится перехитрить солнце: новые панели дают энергию даже в полумраке

Солнце остаётся самым мощным и неисчерпаемым источником энергии на Земле. Потенциала звезды достаточно, чтобы покрыть годовое потребление человечества в 20 тысяч раз — нужно лишь научиться собирать эту энергию эффективно и недорого. Эту задачу пытаются решить учёные МИСИС, создавшие перовскитные солнечные батареи — новый тип панелей, способный работать даже при слабом освещении и стоить значительно дешевле кремниевых аналогов.

Почему кремний перестал быть идеальным

Классические солнечные панели из кремния до сих пор занимают около 95% рынка, однако их возможности уже ограничены. Они требуют яркого солнца, плохо работают в тумане и облачную погоду, а в условиях Арктики или Крайнего Севера практически бесполезны.

Кроме того, такие батареи дороги в производстве: получение монокристаллического кремния — сложный и энергоёмкий процесс, требующий вакуумных установок и высоких температур.

"Производство монокристаллического кремния и печать перовскитной плёнки по себестоимости просто несопоставимы — цена перовскита в 2,4 раза меньше", — пояснил заведующий лабораторией перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС Данила Саранин.

Что такое перовскит и чем он особенный

Перовскит — это титанат кальция, распространённый минерал с уникальной псевдокубической структурой, способной эффективно "ловить" солнечные лучи и преобразовывать их в энергию.

В лаборатории МИСИС используют гибридные галогенидные перовскиты — металлоорганические соединения, содержащие йод. Они превращаются в ультратонкие плёнки толщиной всего 0,5 микрона (для сравнения, человеческий волос — около 40 микрон).

Печать этих плёнок напоминает работу струйного принтера: раствор перовскита наносится на подложку, после чего слои высушиваются и накладываются друг на друга.

"Перовскитный модуль состоит из 16 отдельных элементов по 100 на 100 мм, соединённых в единую электрическую цепь. Главный слой — фотопоглощающий, именно в нём рождается электрическая энергия", — рассказал инженер лаборатории Павел Гостищев.

Как работает новая солнечная панель

Перовскитная панель состоит из нескольких слоёв:

• фотопоглощающего, где свет превращается в электрические заряды;
• транспортных слоёв, распределяющих положительные и отрицательные заряды;
• электродов, собирающих ток.

Благодаря такой структуре панели улавливают свет даже при низкой освещённости — во время снегопада, тумана и пасмурной погоды.

"В отличие от кремниевых, наши панели всепогодные. Они не дадут киловатты ночью, но смогут питать маломощные устройства даже при слабом свете", — уточнил Саранин.

Сейчас мощность одной панели достигает 7 Вт, однако разработчики планируют выйти на показатели 100-150 Вт в ближайшие годы.

Почему перовскиты эффективнее

Перовскит поглощает свет примерно в 10 раз сильнее кремния.
Одна плёнка толщиной в полмикрона генерирует столько же энергии, сколько кремниевая пластина толщиной 200 микрон.

Это открывает путь к созданию гибких рулонных панелей, которые можно будет сворачивать и использовать на любых поверхностях — от крыш домов до одежды.

"Мы уже работаем над такими гибкими батареями. Это следующий шаг — ультрадешёвые, лёгкие и адаптивные панели будущего", — отметил Саранин.

Основные преимущества перовскитных батарей

Какие проблемы предстоит решить

Главная сложность — нестабильность йода, входящего в состав перовскита. Он окисляется при контакте с влагой и воздухом, из-за чего панели могут выцветать и деградировать.

Учёные уже нашли решение: применяют эластомеры для ламинирования, которые защищают материал от влаги и кислорода.

Остаются две задачи:

1. Отладка печати — нужно добиться равномерности при производстве полотен шириной до двух метров.
2. Автоматизация производства — сейчас часть работы выполняется вручную, но в будущем планируется полная роботизация.

"Мы используем дешёвую технологию печати, но она должна быть идеально точной, без микродефектов. Только так получится сохранить баланс между ценой и качеством", — пояснил Саранин.

Перовскиты + кремний: союз будущего

Перспективное направление — тандемные панели, в которых перовскит печатается поверх кремниевой основы. Такая комбинация повышает КПД до 30% и выше, при этом удорожание минимально.

"Перовскит поглощает синий и зелёный спектр, кремний — красный и инфракрасный. В тандеме эффективность возрастает, а себестоимость почти не меняется", — пояснил физик.

Российская разработка и импортозамещение

Все материалы для прототипов — отечественного производства, что делает проект независимым от зарубежных поставок. МИСИС сотрудничает с Научно-техническим центром тонкоплёночных технологий группы компаний "Хевел", где планируют наладить опытное производство уже в ближайшие три года.

Новые панели смогут обеспечить:

• снижение углеродного следа предприятий;
• повышение энергоэффективности зданий;
• развитие устойчивой "зелёной" энергетики в России.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Полагаться только на кремниевые панели → неэффективность в северных регионах → использовать гибридные перовскитно-кремниевые модули.
• Игнорировать проблему деградации → быстрая потеря КПД → применять защитное ламинирование эластомерами.
• Завышать мощность без испытаний → риск выгорания слоя → тестировать панели в разных климатических зонах.

А что, если такие панели станут массовыми

Эксперты считают, что перовскитные технологии способны изменить рынок солнечной энергетики. Гибкие и дешёвые панели можно будет устанавливать на фасадах домов, дронах, транспорте и даже на одежде. Массовое внедрение таких решений даст толчок к снижению стоимости электроэнергии и ускорит переход на возобновляемые источники.

Мифы и правда

• Миф: солнечные батареи бесполезны в пасмурную погоду.
  Правда: перовскитные панели работают даже при рассеянном свете.
• Миф: солнечная энергетика не способна конкурировать с традиционной.
  Правда: себестоимость новых технологий снижается, а КПД растёт.
• Миф: перовскиты быстро разрушаются.
  Правда: современные защитные покрытия делают их устойчивыми к влаге и окислению.

Перовскитные солнечные батареи — это шаг к новой эпохе "всепогодной" энергетики. Благодаря лёгкости, гибкости и высокой эффективности они могут стать основой для автономных и экологичных систем будущего. Учёные МИСИС уверены: в течение трёх лет такие панели перейдут из лабораторий в реальное производство и изменят представление о том, как человек использует энергию Солнца.