Лаборатория перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС разрабатывает технологию, которая может применяться во множестве современных сфер: от архитектуры и космоса до интернета вещей и медицины. Речь о перовскитных элементах. Границы технологии еще предстоит оценить, но начнем с самого близкого к рынку применения — солнечных панелей, которые работают там, где обычные кремниевые уже не справляются.
«Компьютерра» разбиралась, как работают перовскитные солнечные батареи, чем они отличаются от кремниевых и почему теперь главный вопрос для технологии — не в физике, а в том, как наладить их массовое производство. Экскурсию провели к.т.н. Павел Гостищев и к.ф.-м.н. Мария Рябцева, ведущие научные сотрудники лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС.
Новый кремний
Кремниевые солнечные батареи появились около 70 лет назад и с тех пор стали основой зеленой энергетики. Сегодня они по-прежнему доминируют в солнечной энергетике, но эффективность кремниевых батарей уже близка к своему пределу. В реальных условиях современные панели превращают в электричество лишь 20–23% энергии солнечного света. Дальше заметно повышать эффективность кремниевых панелей становится все сложнее.
Одной из перспективных альтернатив считаются перовскитные солнечные элементы. У них другой принцип работы, более простое производство и больший запас для повышения эффективности.
Разница в технологиях заметна уже по толщине изделия. Кремниевый элемент имеет толщину около 200–300 микрон, тогда как слой перовскита может быть всего около одного микрона. Это примерно в сто раз тоньше человеческого волоса. К тому же, в отличие от кремния, перовскитные солнечные элементы можно наносить как на стекло, так и на тонкий гибкий пластик, что позволяет делать гибкие и легкие батареи.
Но особенно хорошо перовскиты показывают себя при слабом освещении. Кремниевые панели лучше всего работают при ярком солнце, а в пасмурную погоду и сумерках их эффективность заметно падает. При слабом освещении часть зарядов теряется из-за дефектов кристаллической решетки и не доходит до контактов.
Перовскитные изделия захватывают заряды иначе, и элемент продолжает вырабатывать энергию даже при рассеянном свете. При ярком солнечном свете КПД перовскитного элемента составляет около 20%. Зато при офисном освещении он может достигать 30–35%, а в отдельных случаях — 40%. В определенных условиях эффективность можно повысить за счет многократного отражения света внутри элемента. Это открывает для технологии новые области применения, где обычные солнечные панели малоэффективны.
По словам ведущего научного сотрудника лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС Павла Гостищева, одно из перспективных направлений для перовскитных элементов — устройства интернета вещей. На промышленных предприятиях работают тысячи датчиков, и в каждом из них приходится менять батарейки. Перовскитные модули могут постоянно питать такие устройства, используя даже слабый свет в помещении.
«Интернет вещей — это огромный рынок для технологии. На заводах и производствах развернуты тысячи датчиков, и их обслуживание — головная боль: каждые две недели нужно обходить все точки и менять батарейки. Перовскитные модули могут решить эту проблему. Они способны питать такие устройства годами, используя даже тот свет, который едва различим для глаза».
Павел Гостищев, ведущий научный сотрудник лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС
Помимо теоретической части, перовскитные изделия уже проходят реальные испытания. В прошлом году лаборатория провела тестовое сравнение перовскитной и кремниевой панелей в «СберСити» — масштабном проекте «умного» района на западе Москвы. В солнечные дни кремний показывал лучший результат. Но в сентябре, когда небо затянуло облаками, перовскитная панель начала вырабатывать больше энергии.
По словам ученых, в этом году там же установят полноценную систему из пяти солнечных перовскитных панелей, подключенных к коммерческому инвертору — устройству, которое преобразует полученное электричество в переменный ток и отдает его в общую сеть. Параллельно ученые будут собирать данные об их работе.
Наземные испытания — лишь часть работы лаборатории. Есть и другое направление, где перовскит обещает показать себя не хуже, а в чем-то даже лучше кремния. Речь о космосе.
Космическая энергия
В космосе солнечные батареи сталкиваются с главным врагом — радиацией. Кремниевые элементы, способные работать на Земле до 25 лет, в жестких условиях орбиты начинают стремительно деградировать в первый же месяц. Атомы выбиваются из кристаллической решетки, создают новые дефекты, и КПД падает катастрофически быстро. Именно радиационная деградация часто определяет срок активного существования спутника.
Перовскит демонстрирует большую устойчивость. В лабораторных экспериментах с жестким облучением характеристики солнечных элементов практически не ухудшались. Единственный элемент, который страдает, — стеклянное покрытие. Обычное стекло начинает темнеть под воздействием радиации, поэтому для космических модулей используют специальное радиационно-стойкое сверхтонкое стекло или пластик.
Мария Рябцева, ведущий научный сотрудник лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС, поясняет, что в перовските существует эффект самозалечивания — ионы могут возвращаться на свои позиции, восстанавливая структуру после радиационного повреждения.
«В отличие от кремния или арсенида галлия, у перовскита есть одно уникальное свойство — если радиация выбивает атомы из кристаллической решетки, они со временем возвращаются на свои места. Структура восстанавливается, и работоспособность элемента не падает. У других полупроводников дефекты накапливаются, и батарея деградирует необратимо».
Мария Рябцева, ведущий научный сотрудник лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС
Сейчас лаборатория готовит модули к реальному запуску на низкую околоземную орбиту. Высота около 200–300 километров — область с низкой радиацией, но высокой концентрацией атомарного кислорода. Он агрессивно воздействует на материалы, окисляя и разрушая поверхности. Для перовскитных модулей это дополнительный вызов: нужно защитить изделия не только от радиации, но и от химического воздействия.
Ключевое отличие будущего запуска от предыдущих экспериментов зарубежных коллег — в уровне интеграции. По словам ученых, ранее перовскитные ячейки выводились на орбиту преимущественно в качестве автономных исследовательских образцов. Сейчас российские исследователи готовят полноценный рабочий модуль, который будет подключен к электронике спутника и сможет реально вырабатывать энергию, а не просто демонстрировать сохранность структуры.
Прозрачные панели и цветные фасады
Одно из преимуществ перовскитной технологии — возможность создавать полупрозрачные модули. Кремний для этого слишком толстый, а перовскитный слой в один микрон может быть нанесен в том числе между двумя прозрачными проводящими электродами. Свет проходит через такую структуру, часть его поглощается и превращается в электричество, остальное — проникает внутрь помещения.
Это открывает путь к Building Integrated Photovoltaics — интеграции солнечных батарей в архитектуру зданий. Полупрозрачные панели могут заменить тонировку на стеклах, защищая от яркого солнца и одновременно вырабатывая энергию. Более того, меняя состав перовскита, можно добиться разных цветов: от привычного темно-коричневого до оранжевого, желтого или даже зеленого.
«Мы можем делать принципиально разные технологические решения, используя одну и ту же платформу. В этом уникальность перовскита: он не заперт в одном применении».
Павел Гостищев, ведущий научный сотрудник лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС
От лабораторного образца до промышленной линии
Ученые не скрывают, что главный вызов сейчас — не создание нового материала, а масштабирование. Сделать элемент размером с тетрадную клетку и получить КПД 27 процентов — задача решенная. Но превратить это в панель, которую можно установить на крыше и подключить к сети, — совсем другая история. Об этом мы говорили в одном из прошлых репортажей. Продуктовым развитием научных разработок сотрудники лаборатории занимаются в том числе при поддержке федеральной программы «Приоритет-2030» — в рамках реализации стратегического технологического проекта МИСИС «Энергия материалов».
В 2009 году, когда появились первые перовскитные элементы с КПД 3 процента, никто не думал о промышленном масштабировании, но к 2015 году лабораторные образцы научились работать тысячу часов — это был потолок. Сейчас тот же показатель измеряется десятками тысяч часов, а КПД приближается к 28 процентам на лабораторных образцах и к 20–22 процентам на реальных модулях.
Следующий этап — пилотная линия. Лаборатория уже ведет переговоры с индустриальными партнерами. Речь идет о создании небольшого производства, которое позволит выпускать модули мощностью в сотни киловатт или даже мегаватт.
В октябре 2024 года лаборатория представила первую в России полноформатную панель на основе гибридных перовскитов, выполненную полностью из отечественных материалов. Панель состояла из 16 соединенных между собой перовскитных модулей и имела мощность 18 ватт при напряжении 48 вольт. Сейчас в МИСИС собирают панели в два раза больше — из 32 модулей, объединенных в одну электрическую цепочку мощностью в 30 ватт при напряжении 200 вольт. Цикл изготовления полноценных панелей составляет несколько дней, а уровень технологической готовности доведен до пятого — последнего уровня перед автоматизированным серийным производством.
Технологическая цепочка для масштабирования понятна: слот-дай печать, которая уже отработана на лабораторных установках, будет просто перенесена на оборудование большего размера. Вся органика и прекурсоры — российского производства. Вакуумные установки для напыления металлов — стандартные, существующие десятки лет. Никакой жесткой зависимости от одной страны или компании нет.
«Если мы не сможем найти что-то в одном месте, мы найдем в другом. Установки простые, недорогие и типовые. Их можно сделать и в России», — поясняет Гостищев.
Стандартизация как последний барьер
Даже когда технология готова, а пилотное производство запущено, остается еще один барьер — нормативный. Для перовскитных солнечных элементов пока не создано специализированных ГОСТов, а профильные международные стандарты (IEC) находятся в стадии активной разработки. Без них продукт невозможно сертифицировать, а значит, нельзя вывести на рынок, особенно в таких чувствительных областях, как авиация и космос.
«Сегодня большая проблема именно со стандартизацией. Мы тоже занимаемся этой проблематикой, адаптируем те подходы, которые используются в классической космической энергетике, под новую технологию», — поясняет Мария Рябцева.
Китай уже начал делать первые солнечные фермы на перовските, и предварительные данные показывают, что они вырабатывают больше энергии, чем кремниевые аналоги — именно благодаря лучшей работе в пасмурную погоду. Впрочем, одной технологии для такого рывка было бы мало. Китаю помогли господдержка и рынок, который оказался готов быстро осваивать новые решения.
В России этот процесс идет медленнее. Лаборатория перспективной солнечной энергетики в МИСИС делает ставку на сотрудничество с корпоративными партнерами, которые готовы тестировать новое оборудование на своих объектах.
Также университетский статус лаборатории дает важное преимущество: специалистов выращивают здесь же. Студенты кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников начинают с практики еще в самом начале — при обучении на программах высшего образования. Затем продолжают погружение в работу на программах специализированного высшего образования*, и к моменту окончания университета становятся высококвалифицированными сотрудниками. Многие из них уже ведут собственные проекты в рамках лаборатории как аспиранты, инженеры научных проектов и лаборанты-исследователи.
Таким образом, в стенах одного вуза можно как разработать технологию, так и воспитать кадры для ее поддержки. Остается дело за малым — внедрить разработки своих ученых.
* НИТУ МИСИС — участник пилотного проекта Минобрнауки РФ по изменению уровней профессионального образования
Вывод
Перовскитная технология переживает момент, когда фундаментальная наука встречается с реальным производством. Лаборатория перспективной солнечной энергетики в МИСИС уже прошла путь от маленьких образцов с малым сроком службы до полноформатных солнечных батарей, от которых можно получать электричество в реальных условиях эксплуатации. Следующий шаг — выход на рынок.
Вопрос не в том, сможет ли перовскит заменить кремний. Вопрос в том, как быстро это произойдет и какая доля рынка достанется российским разработчикам. Судя по тому, что показали в лаборатории, шансы неплохие. Технология готова, кадры обучены, партнеры заинтересованы. Осталось самое сложное — доказать, что лабораторные успехи можно превратить в стабильную промышленную историю.