О прошлом, настоящем и будущем природных источников энергии рассказал Алексей Тарасов, кандидат химических наук, руководитель лаборатории новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ им. Ломоносова.
Я занимался материалами на основе диоксида титана, и одно из его применений заключается в использовании в качестве электрон-поглощающего слоя солнечных ячеек. Когда я заканчивал кандидатскую диссертацию, мир перевернуло известие о появлении нового класса солнечных элементов, одним из компонентов которого был также диоксид титана. Это именно то, чем сейчас надо заниматься.
В древнем мире единственными источниками энергии служили сжигание дерева и мускульная сила человека и животных. Чуть позже люди научились использовать энергию ветра и воды, построили парусную лодку, ветряную мельницу, водяное колесо.
Первым ископаемым источникам энергии стал уголь. Это оказалась гораздо удобнее, чем сжигать дерево. Но доступ к более энергонасыщенному носителю позволил человечеству перейти к механизмам на основе извлекаемой тепловой энергии – к паровым установкам. Первой крупнейшей революцией стало создание двигателя внутреннего сгорания. Это позволило перейти к автономному движению с высоким КПД и развивать автомобильный транспорт.
Сжигание нефти – второго ископаемого источника – начало активно развиваться спустя практически полвека. В новейшее же время человек неким образом вернулся к своим истокам и стал рассматривать в качестве источника энергии воду, воздух, солнечный свет. В середине XX века человечество освоило атомную энергию, а на рубеже XX и XXI веков появились первые солнечные элементы, что сделало возможным преобразование солнечного света в энергию.
За последние 50 лет потребление электроэнергии возросло в пять раз. Данный прирост связан с интенсивным использованием нефти и газа. И самый актуальный на данный момент вопрос: прекратим ли мы использовать ископаемые источники топлива - уголь, нефть и газ?
Из возобновляемых источников энергии, которые человечество использует уже сегодня, выделяют три: это солнечная энергетика, гидроэнергетика и ветряная энергетика. И вся возобновляемая энергия является солнечной. Прямое превращение солнца в энергию является самым желаемым способом ее получения. Уже сегодня это достаточно развитая область, которая есть везде: в космосе, в пустынях, на индивидуальных домашних хозяйствах и на портативной электронике.
На нашей планете есть достаточно много свободных от застройки и при этом солнечных мест. Если покрыть их солнечными батареями, то можно обеспечить электроэнергией все человечество. Для некоторых точек планеты, особенно плотно населенных, с равномерным распределением энергопотребителей, это самый лучший вариант. В России с 2014 года существует большая инновационная компания, которая производит кремниевые солнечные панели по отечественной технологии.
Свет – это электромагнитное излучение. Фотон – минимальная порция света. Разные фотоны обладают разной энергией, и она связана с частотой излучения и длиной волны. Изолированный атом состоит из ядра и распределенных вокруг него электронах, находящихся на разных уровнях. Под действием света электроны переходят на свободные более высокие уровни, повышая потенциальную энергию и поглощая фотоны электромагнитного излучения. Солнечный свет работает подобно водяному насосу: энергия солнечного света передается электронам.
Существует четыре поколения солнечных элементов: кремниевые, полупроводниковые, органические и перовскитные. Основной вид солнечных батарей сегодня – кремниевый, но получение чистого кремния – сложный и дорогой процесс. Поэтому более эффективным является использование полупроводниковых солнечных элементов на основе арсенида галлия (GaAs), которые позволяют достичь КПД более 45%.
В 1991 году химики Михаэль Гретцель и Брайан О’Реган открыли новый тип дешевых солнечных элементов, которые нашли применение в промышленности (электронные книги, станции подзарядки электромобилей и так далее).
Рост эффективности «гретцелевских» солнечных ячеек быстро достиг устойчивого плато, и в 2009 году появились элементы нового типа – перовскитные. Они стали самой быстроразвивающейся областью фотовольтаики и новейшим классом супер-тонкопленочных солнечных элементов.
Перовскитные солнечные элементы обладают максимальной удельной мощностью на единицу массы. Но пока это только будущее, которое возможно станет настоящим. Разработка перовскит-кремниевых тандемов требует плотной коллаборации с кремниевой индустрией.В России исследованием гибридным перовскитов занимается пока только несколько групп.
Однако три года назад произошел интенсивный рост КПД органических солнечных элементов, поэтому не исключено, что чуть позже самыми актуальными окажутся именно они.
Из лекции "Все о солнечной энергетике", прошедшей в рамках акции "На острие науки".