В начале июля 2013 года в журнале Nature увидела свет одна примечательная статья, материал которой лишний раз доказывает, что дешёвой и простой солнечной энергии быть, и, более того, это дело уже ближайшего будущего.
В далёком 1988 году молодой человек по имени Михаэль Гратцель (Michael Grätzel), ныне профессор в Лозанской Политехнической Школе (EPFL, Швейцария), совместно с Брайаном О’Реганом (Brian O'Regan) предложили на тот момент абсолютно сумасшедшую идею, а именно, использовать красители в солнечных батареях для поглощения света и передачи поглощённой энергии на полупроводник (впоследствии – диоксид титана). После чего электрон «перемещается» по полупроводнику, пока не достигнет анода, а оставшийся без электрона краситель (по сути «дырка», в терминах полупроводников) получает его от ионов I–, которые, в свою очередь, превращаются в ионы I3– (так называемая редокс пара), переносящие заряд к катоду. В результате на двух контактах имеется некоторая полезная разность потенциалов. С течение времени такие ячейки стали называть ячейками Гратцеля или Dye-sensitized solar cell, DSSC (солнечные батареи сенсибилизированные/активированные красителем).
Принцип работы DSSC (Источник)
И всё было бы хорошо, если не одно НО. С точки зрения физических и химических законов, КПД такой батареи не может превышать 33% — да и то, только в теории. Единственным преимуществом данного рода солнечных батарей является их баснословно низкая себестоимость производства по сравнению с кремниевыми, например. Стоит напомнить, что в 1991 году миром безраздельно правила вера в кремний для земных применений (в том числе и зарождавшийся класс тонкоплёночных технологий) и арсенид галлия (GaAs) для космоса.
Данные, собранные Национальным Институтом Возобновляемой Энергетики (США)
Потребовалось 25 лет поистине титанических усилий (долгое время не удавалось превзойти порог в 10%), чтобы 5-6% эффективности преобразования солнечной энергии в электричество превратились в почти 15%!
Суть совершённого открытия заключается в использовании поликристаллического перовскитоподобного соединения свинца – CH3NH3PbI3 – в качестве сенсибилизатора и медиатора (проводника «дырок»). Данный материал фактически химически осаждается – не требует вакуумных установок – на поверхности мезопористого диоксида титана («шарики» на микрофотографии). Получившийся слоеный пирог имеет толщину около 1 микромера (в ~50-100 раз тоньше человеческого волоса) и при инкупсулировании обычно зажимается между двумя более толстыми пластинами стекла:
Микроструктура DSSC: HTM (organic hole-transport materials) – материал, хорошо проводящий «дырки», FTO (fluorine-doped tin oxide) – оксид олова, допированный фтором, играющий роль прозрачного токопроводящего электрода.
Но вольтамперная характеристика устройства впечатляет:
PCE (Power Conversion Efficiency) или эффективность превращения энергии достигла значения 15%! Это поистине знаменательное событие в индустрии солнечных батарей, за которое, между прочим, Михаэля Гратцеля в ноябре этого года наградят одной из престижных премией – премией Марселя Бенуа (Marcel Benoist), среди награждённых аж 9 Нобелевских лауреатов.
Кстати, для справки. В 2009 году Гратцель запустил полупромышленное производство DSSC батарей (для любителей iPad, например). А, по слухам, в Лозанне планируется установить новые высокоэффективные батареи на крыше дворца правосудия…
Ссылки:
1. Публикация в открытом доступе предшествующей работы.
2. Статья в Nature.
Полный список опубликованных статей This is Science на GeekTimes:
This is Science: Простая и дешёвая солнечная энергетика
This is Science: Графен – жизнь или смерть?
This is Science: Вдувай и получай электроэнергию
This is Science: Кремниевая электроника: согни меня полностью!
This is Science: Эластичный дисплей на квантовых точках
This is Science: Поставить трибоэлектричество на службу человечеству
This is Science: 3D оптическая печать переезжает на микроуровень
This is Science: Что внутри нейроморфного чипа?
This is Science: Новости с графеновых полей
This is Science: 3D электронная литография в массы
This is Science: Разряд щелочных батареек или почему батарейка подпрыгивает
This is Science: микропушки и наноядра
This is Science: носимая электроника и трибоэлектричество. Часть 1
This is Science: носимая электроника и трибоэлектричество. Часть 2
Иногда кратко, а иногда не очень о новостях науки и технологий можно почитать на моём Телеграм-канале — милости просим;)
