Белорусские ученые совместно с коллегами из Германии создали уникальный наноструктурированный материал, который будет применяться при создании фотоэлементов нового поколения. Проект финансировался Немецким авиационно-космическим центром (DLR).
Основное достоинство нового материала состоит в его химическом составе и структуре. В солнечной энергетике фотоэлементы создаются чаще всего из гладких пластин на основе кремния или арсенида галлия. Разработка же белорусских ученых представляет собой подложку с выращенными на нем столбиками. По внешнему виду он напоминает \»наногазон\», каждая \»травинка\» которого состоит из трех элементов: олова, свинца и сурьмы (Sn1-XPbXS) и имеет размеры 600 нм в высоту и 200 нм в ширину.
Появлению уникального материала предшествовали четыре года интенсивных работ и исследований. В Беларуси, в лаборатории физики полупроводников Научно-практического центра Национальной академии наук Беларуси по материаловедению проводился синтез исходных химических элементов. А в Лейпцигском институте минералогии, кристаллографии и материаловедения методом вакуумного напыления наращивались столбики \»наногазона\». Рост их шел в аппарате размером с холодильник. Полученная таким образом пленка демонстрирует физические свойства, которые позволяют использовать ее при создании фотоэлементов – приборов, преобразовывающих энергию фотонов в электрическую энергию. По словам руководителя проекта с белорусской стороны, доктора физико-математических наук Валерия Гременка, наличие наностолбиков значительно увеличивает объем эффективной поверхности.
Еще одним важным преимуществом нового материала является его дешевизна. По сравнению с используемыми сейчас в солнечной энергетике традиционными элементами, олово, свинец и сурьма – более распространенное и доступное сырье. \»Кроме того, – заметил Валерий Гременок, – чтобы вырастить монокристалл на основе кремния, нужна температура порядка 1300°C. А здесь температура напыления – порядка 250-350°C\».
Теоретически, внедрять в промышленность или создавать на основе Sn1-XPbXS энергетические преобразователи можно уже хоть сегодня. Для этого нужны лишь вакуумная установка, стабильные поставки сырья и знание техпроцесса. Ряд исследователей считают, что развитие солнечной энергетики в целом должно идти именно по пути использования тонкопленочных солнечных элементов. Поскольку многие из них уже в настоящее время демонстрируют достаточно высокий КПД, а низкие удельные расходы материалов предполагают возможную дешевизну фотоэлементов. Наносимые тонким слоем – толщиной всего в 1-2 микрона, – они имеют куда большую область применения, чем большие громоздкие кремниевые пластины. А если создавать их на гибкой основе, то получится легкая солнечная батарея, которую можно будет скрутить в рулон и прикрепить куда угодно – хоть на машину или на стену дома. Компания Solatec LLC, например, продает подобные тонкопленочные фотоэлектрические элементы для установки на крышу гибридного автомобиля Toyota Prius.
Тем не менее, для появления первых промышленных образцов фотоэлементов на основе нового материала понадобится еще длительное время. По словам профессора Клауса Бенте, руководителя проекта с немецкой стороны, \»для того, чтобы его изготовление дальше оптимизировать, нам нужно больше знаний о том, что в точности происходит в этом материале\». Следующим шагом будет создание первых пилотных солнечных элементов размером в квадратный сантиметр и исследование их физических характеристик.
Любопытно, что Германия сегодня является мировым лидером в сфере солнечной энергетики и уверенно выбивается в лидеры энергетики альтернативной. Суммарная мощность фотоэлектрических станций в ней в 2009 году составляла почти 10 ГВт, в то время как в США эта цифра равнялась лишь 1,65 ГВт. В том же 2009 году 16% потребляемой в Германии электроэнергии производилась альтернативными источниками – солнечными батареями, ветрогенераторами, ГЭС, ТЭЦ, работающими на биомассе, и геотермальными электростанциями. А к 2050 году эту цифру планируется довести до 80%. Что касается атомных электростанций, то в 30-х годах их и вовсе предполагается отключить. В развитие \»зеленой\» энергетики там вкладываются огромные средства, соответственно, идет активный поиск исполнителей научных исследований в этой области по всему миру. Одними из них и стали ученые из белорусского НПЦ.
Интересный доклад сделали в августе текущего года ученые из американского Университета Дюка Джон Блекберн и Сэм Канингем. Были озвучены результаты исследования, в ходе которого выяснилось, что производство электричества при помощи солнечных батарей уже сегодня стало дешевле ядерной энергетики. Авторы доклада установили, что за последние 12 лет постоянно снижающаяся стоимость фотоэлементов достигла такого уровня, который ставит под сомнение экономическую целесообразность строительства новых атомных электростанций. Причиной этому послужили технологические новшества в сфере производства фотоэлементов, а также постоянно растущий спрос на них.