Альтернативные источники энергии – это способ рационального ресурсосбережения. Серьезным импульсом к развитию альтернативных источников энергии является развитие нанотехнологий. Уже несколько лет ученые Южно-Уральского государственного университета работают над созданием солнечных батарей нового типа, особенностью которых является органический светочувствительный материал. Такие батареи не будут токсичными и дадут большие преимущества в альтернативной энергетике будущего.
Фотовольтаика – альтернативная энергетика будущего
Обычно под термином солнечная батарея подразумевается панели фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов). Фотовольтаика – метод выработки электрической энергии путем использования солнечных элементов для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию. Сотрудники НОЦ «Нанотехнологии» и Химического факультета Института естественных и точных наук ЮУрГУ занимаются исследованием ресурсосберегающих технологий и альтернативной энергетики. Одним из ведущих направлений научной работы является создание новых материалов для прорывных технологий будущего, способных ответить современным требованиям органической фотовольтаики.
«За последние 10 лет фотовольтаика стала самой быстрорастущей отраслью альтернативной энергетики. Ежегодный прирост установленных фотовольтаических мощностей в период с 2000 по 2013 включительно составлял 40%. Например, Германия – не самая избалованная солнцем страна, а располагает наибольшими фотовольтаическими мощностями. И сегодня фотовольтаика уже не экзотический ресурс энергии, а существенный сегмент европейского энергосектора, снабжающий электричеством 17 миллионов человек», – отмечает научный сотрудник НОЦ «Нанотехнологии» Олег Большаков.
Фото: О.И. Большаков
Три поколения фотоэлектрических преобразователей
Цель фотовольтаики – совершенствование технологий по использованию солнечной энергии. В частности, превращение солнечного излучения в электроэнергию самым дешевым способом. Благодаря разработкам ученых по всему миру цены на солнечные батареи резко падают, так что возобновляемые источники энергии активно вытесняют традиционные энергоносители. В фотовольтаических системах преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется в фотоэлектрических преобразователях (ФЭП). В зависимости от материала, конструкции и способа производства принято различать три поколения ФЭП: ФЭП первого поколения на основе пластин кристаллического кремния; ФЭП второго поколения на основе тонких пленок; ФЭП третьего поколения на основе органических и неорганических материалов.
«Фотовольтаические элементы первого поколения считаются зрелой технологией, доминирующей на рынке. Представлены двумя типами – на основе моно- и поли-кристаллического кремния. Второе поколение, так называемое тонкопленочное, занимает более скромное положение на рынке, хотя демонстрирует более высокую скорость прироста», – поясняет Олег Большаков.
Третье поколение предлагает неизмеримо большее разнообразие технологических решений, основанных на новых материалах, приборном оснащении и концепций конверсии света в электричество. Такая вариативность означает гораздо большую динамику технических изменений в фотовольтаике, что является основным конкурентным преимуществом. У солнечных батарей третьего поколения гораздо больше шансов на появление прорывных технологий.
Фото: сотрудник НОЦ «Нанотехнологии» Олег Большаков
Халькогениды для совершенных солнечных батарей
Идея создания ФЭП третьего поколения заключалась в дальнейшем снижении себестоимости ФЭП, отказе от использования дорогих и токсичных материалов в пользу дешевых и перерабатываемых полимеров и электролитов.
«Одним из важнейших преимуществ батарей третьего поколения – их быстрая, по сравнению со вторым и первым поколениями, окупаемость, – уверен Олег Игоревич. – Так, по данным журнала Energy and Environmental Science, срок окупаемости ФЭП 3-го поколения – месяцы, в то время как первые два поколения будут окупаться потребителю за годы. Но проблема в том, что существующие образцы третьего поколения фотовольтаики – самые низкоэффективные. Мы планируем существенно поменять текущую ситуацию на рынке и вывести органическую фотовольтаику на ведущие рубежи производительности при сохранении преимуществ – гибкости и дешевизны».
Увеличение эффективности ФЭП учеными Южно-Уральского государственного университета планируется достигнуть за счет уникальной методики внедрения халькогенидов высшего периода (сера, селен), которые существенно сузят ширину запрещенной зоны (чем уже запрещённая зона, тем выше возможность ФЭПов вырабатывать энергию под действием видимого света). У команды НОЦ «Нанотехнологии» имеется многолетний задел в области преобразования халькогеназотистых гетероциклов. Кроме того, ученые намерены увеличить проводимость за счёт модификации молекулярной упаковки методами органического синтеза.
«Фотокаталитические процессы – это визитная карточка НОЦ «Нанотехнологии». В области фотокатализа наработан огромный опыт. Используя уникальный метод синтеза фотокатализаторов из пероксокомплексов титана были получены материалы, в разы превосходящие по эффективности коммерческие аналоги. Таким образом, мы планируем увеличить эффективность с 12 до 20%. Это действительно прорыв в альтернативной энергетике, и мы имеем все основания для достижения подобной цели», – подчеркивает Алексей Галушко, сотрудник НОЦ «Нанотехнологии».
Фото: сотрудник НОЦ «Нанотехнологии» Алексей Галушко
Международное сотрудничество при поддержке гранта РНФ
Исследование ученых Южно-Уральского государственного университета "Новые материалы для фотоники и спинтроники на основе халькогеназильных гетероциклов" поддержано грантами Российского научного фонда. Проект реализуются при руководстве ведущего Российского ученого в области сера-азотсодержащих гетероциклов – Олега Ракитина, работающего в Институте органической химии РАН. Партнёрами Южно-Уральского государственного университета по данному научному направлению выступают Институт органической химии РАН, University of St. Anrews (Шотландия), University College of London (Англия), Международный консорциум «Органическая электроника высококогерентных молекулярных систем».