О преобразовании света в электричество, солнечном топливе и КПД аккумуляторов

Какие существуют способы преобразования света в электричество? Как повысить КПД солнечных элементов? Каковы основные перспективы развития солнечной энергетики? Об этом рассказывает профессор Университета имени Бен-Гуриона Евгений Кац.

Под солнечной энергетикой понимается процесс преобразования солнечного света в электричество. Есть два способа преобразовать свет в электричество. Первый способ — это сконцентрировать свет высокой концентрации, например, на воде или на какой-то другой жидкости, перевести это в пар, и дальше пар вращает генератор, обычную турбину (похожий процесс в обычной электростанции).

Второй способ — это прямое преобразование света в электричество, где ничего не греется, ничего не крутится, нет никаких механических генераторов, а есть полупроводниковый преобразователь, который поглощает фотоны, при поглощении фотонов рождаются электронно-дырочные пары — электроны и дырки, носители зарядов, которые разделяются, таким образом генерируется ток, напряжение, генерируется электрическая мощность, производство которой является задачей солнечной энергетики.

Этим направлением я и занимаюсь — прямым преобразованием света в электричество. Это побеждающее направление, из-за того что эффективность таких элементов достаточно высокая. И она может быть все больше и больше. Сегодня мировой рекорд эффективности, КПД, порядка 45%. Это очень высокая цифра. О такой цифре 20 лет назад и мечтать не могли

Общее рождение этого направления — вторая половина 1950-х годов. Первый солнечный элемент был изобретен и сделан в американской лаборатории Bell Labs. Где его применить, тогда не очень понимали. Но в 1957 году полетел первый советский спутник, а в 1959 году уже и американский, и советский спутники летали с солнечными батареями. Таким образом родилось это направление использования прямых преобразователей, солнечных элементов, солнечных батарей для космоса. Конечно, всегда была мечта использовать это открытие для наземной энергетики в масштабных количествах. Для этого цена ватта электричества, произведенного с помощью преобразования солнечного света, должна быть сравнима с ценой обычного электричества, которое мы получаем, сжигая полезные ископаемые. Такая ситуация (по-английски она называется grid parity) сегодня практически достигнута. Что это значит? Что в разных точках Земли разное количество солнечного света, разная цена электричества, но в принципе большое количество мест и стран, которые либо очень близки к достижению этой цели, либо уже достигли ее.

Это говорит о том, что в ближайшее время внедрение солнечной энергетики в реальную жизнь будет очень быстрым и наступательным.

Что для этого делалось? В течение всех этих лет шли работы в двух направлениях. Для того чтобы понизить цену, надо либо увеличить эффективность преобразования, то есть производить за те же деньги больше электричества, либо уменьшить стоимость: то же электричество, та же эффективность, но меньшая стоимость. То есть первые солнечные элементы были из дорогостоящих кристаллических полупроводников: кремния, арсенид галлия и так далее. Масса работ велись в направлении применения тонких пленок, органических солнечных элементов, солнечных элементов на основе разных видов углерода (чем я занимаюсь).

Что сегодня ограничивает тот оптимизм, о котором я говорю? Ограничивает не преобразование света в электричество, не генерация электроэнергии, а ее хранение. На сегодняшний день не существует хороших, стабильных и дешевых аккумуляторов, таких дешевых, чтобы они удовлетворяли принципу grid parity. А это очень важно. То есть сегодня применение солнечной энергии ограниченно. В большинстве промышленных стран пик потребления днем, когда работают заводы, когда работает промышленность. Если солнца много, можно срезать этот пик. Но как только вы применяете больше солнечного электричества, получается, что у вас уже нет выгоды. Вы должны уметь запасать электричество: оно нужно ночью, нужно в дни, когда нет электричества. Это техническая проблема, которая наc сегодня сдерживает..

Общепринятая мысль: если вы хотите изменить мир, если вы ученый, который действительно хочет сделать революцию, заниматься надо попытками разработки новых методов запаса электричества. Это не то, чем занимаюсь я — я занимаюсь полупроводниковым преобразованием света в электричество. Кроме обычных батарей, конечно, идеальным способом была бы комнатная высокотемпературная сверхпроводимость. Это был бы мощнейший прорыв, но пока он не произошел.

Все то, о чем я говорю, — это о производстве электричества. Есть второе направление работы, где наука должна сделать прорыв, — это производство топлива. Чтобы машины ездили не на бензине и не на газе, а на чем-то другом. То есть на газе, например, на водороде. То, что называется solar fuel — солнечное топливо. Настоящие большие самолеты и машины не будут летать и ездить на солнечных элементах просто из-за того, что надо с собой возить гигантскую площадь. Но можно разлагать, например, воду на водород и кислород в одном приборе. Это можно сделать в двух разных приборах: поставить обычную солнечную батарею, генерировать электричество, это напряжение прикладывать к электролизеру и получать водород и кислород. Но огромное количество лабораторий работает над тем, чтоб делать это в одном приборе.

Фактически это artificial photosynthesis, то есть это попытка повторить то, что делает природа.

Природа делает это с изумительной элегантностью. Хотя общий КПД фотосинтеза не такой высокий. Но КПД первого этапа, разделение заряда, natural photosynthesis, практически стопроцентный. То есть попытки сделать solar fuel и попытаться как-то научиться у природы — это тоже очень интересное направление.

Поскольку я все-таки академический исследователь, я мало думаю о каких-то мощнейших применениях и так далее. В основном я занимаюсь тем, что сегодня интересно и где можно применить опыт и знания. Я работаю в лаборатории, где мы много занимаемся концентрированием солнечного света. Речь идет о том, что вы можете прямое преобразование с помощью солнечных батарей делать двумя разными способами. Один способ — положить плоские солнечные батареи на крышу. И тогда вы должны производить большую площадь. Собственно, у солнечного света есть, грубо говоря, три недостатка. Первый недостаток — это то, что это белый свет, смесь разных длин волн. Если бы он был как лазер, если бы это была одна длина волны, то и КПД можно было бы сделать гораздо больше. Второй недостаток, почему мы и создаем концентрированное излучение, — это то, что свет очень разбавленный. На квадратный метр падает всего тысяча ватт солнца. Грубо говоря, если ваш КПД 10%, вы с квадратного метра производите всего 100 ватт. Это очень мало. Поэтому вы должны заложить большие площади.

Концентрирование солнечного света связано с тем, что вам не надо закладывать большие площади. Вы с больших площадей собираете свет, например, зеркалами или линзами, и при этом на солнечный элемент у вас падает 100 солнц, 500 солнц, 1000 солнц. Это значит, что даже если бы эффективность была одна и та же, вам надо как минимум в 100, 500 и 1000 раз меньше площади дорогостоящего полупроводникового материала.

Но эффективность может быть больше. За счет того, что в этой системе сам полупроводниковый элемент не является определяющим. Основная цена — это цена линз, зеркал, систем слежения за Солнцем, чтобы сфокусировать. В принципе, этот опыт каждый ребенок делал с лупой, поджигал дерево. Это концентрирование солнечного света. Я не оптик, у меня есть коллеги, с которыми я интенсивно работаю, которые занимаются именно оптической частью, разработкой концентраторов. А меня интересует, как именно солнечный элемент работает, в чем отличие фотопреобразования при одном солнце от его работы на тысячу солнц. С точки зрения академической и прикладной науки это очень интересная работа и очень интересное направление, потому что речь идет о сверхвысокоэффективных солнечных элементах. КПД больше 40% — это многопереходные солнечные элементы, работающие на очень большой концентрации солнечного света

Я сказал о двух недостатках солнечного света. Есть еще один недостаток солнечного света. У нас есть два вида солнечного излучения: например, на нас прямой солнечный свет не падает, на улице облака, но при этом мы с вами видим друг друга. Это так называемое диффузное излучение — излучение, которое идет от атмосферы. Это излучение нельзя сконцентрировать. Основное излучение — это так называемое прямое излучение. Оно приходит под очень узким углом. А излучает элемент во все стороны. Эта термодинамическая проблема связана с тем, что при этом преобразовании происходит увеличение энтропии за счет того, что есть отношение между углом падения света и углом излучения полупроводника, солнечного элемента. Концентрирование света — это попытка увеличить вот этот угол падения: чем больше у вас концентратор, тем под большим углом он падает, он приходит не от Солнца, а под большим углом. Второе направление, по которому опубликовано несколько очень интересных работ, связано с возможностью ограничить угол фотолюминесценции от элемента, угол излучения, с той же самой целью.

Наконец, третье направление — это исследования солнечных элементов: и фотоэлектрических материалов, и фотоэлектрических приборов в солнечных элементах, изготовленных из нетрадиционных полупроводников. Это фуллерены, углеродные нанотрубки, проводящие полимеры. Сейчас произошла революция во всей этой науке. Появился новый материал — перовскит. Это даже не материал, это структура, термин относится к кристаллической структуре. Это солнечные элементы, смесь органических и неорганических. Их КПД сегодня уже достигло 20%. Для сравнения: рекордный КПД органических солнечных элементов находится на планке 10%.

Основной мой интерес связан даже не с увеличением КПД, а с попыткой увеличения их стабильности. Срок службы неорганических солнечных элементов на основе кремния, арсенида галлия — 25 лет. То есть практически «всегда». А срок службы органических солнечных элементов или на основе перовскита, когда мы начинали этим заниматься, был практически ноль, то есть на несколько секунд. Даже в темноте падал КПД. Задача — увеличить его до двух, пяти, а в идеале, конечно, хотя бы до десяти лет. Тогда эти солнечные элементы, если у них будет высокая эффективность, достаточно долгий срок службы, безусловно, будут дешевыми, потому что они делаются из растворов. Это элементы, которые уже сегодня печатаются на принтере. Это солнечные батареи, которые целиком печатаются на принтере. Не нужны никакие вакуумные технологии: стоит много разных принтеров, то, что называется row to row, которые печатают разные слои этого многослойного солнечного элемента.

Развитие солнечной энергетики, масштабное применение солнечной энергии для преобразования электричества, безусловно, должно привести к мощным изменениям социального, политического характера в жизни на нашей планете. Потому что солнечная энергия распределена достаточно равномерно по планете и подразумевает развитие технологий даже таких стран, как, например, ОАЭ, Саудовская Аравия, которые имеют гигантские деньги с нефти и вкладываются в развитие технологий. Развитие технологий — это мощнейший социальный импульс для развития общества. И, безусловно, это произойдет в какой-то момент. Сегодня мы стоим на пороге мощного применения в различных странах солнечной энергии. Конечно, в случае если будет найден способ запаса электроэнергии.

Хотя есть масса технологий, где запас не нужен. Я приведу один пример. Например, опреснение морской воды. Гигантская проблема на планете — отсутствие пресной воды. Основная стоимость опреснения сегодня — это стоимость электроэнергии. И здесь не нужны запасы. У вас есть солнце — вы делаете опреснение. Это не системы, которые должны работать 24 часа в сутки. Уже сегодня, в общем-то, солнечная энергетика, преобразование света в электричество, безусловно, стоит на пороге новой индустриальной революции.

Евгений КацPh.D. in Physics, Full Professor, Department of Solar Energy and Environmental Physics, J. Blaustein Institute for Desert Research, The Ben-Gurion University of the NegevВсе материалы автора