С новым веществом эффективность солнечных ячеек достигает 4,41 % [фоторепортаж]
Научный коллектив Института органического синтеза УрО РАН, Уральского федерального университета, Центра цвета Института общей неорганической химии РАН и Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ синтезировал органические красители с улучшенными свойствами для сенсибилизированных солнечных элементов. С помощью одного из красителей — IS-BTh-1 — удалось достичь КПД солнечных элементов в 4,41%. Как отмечают ученые, это не рекордные показатели, однако крайне воодушевляющие. Описание новых красителей и свойств исследовательский коллектив опубликовал в журнале Dyes and Pigments. Работу ученых поддержал Российский научный фонд (проект № 22-73-00291).
«Мы синтезировали ряд соединений и выявили краситель-лидер. Затем модифицировали его, чтобы получить семейство красителей с заранее заданными свойствами. Из этого семейства один краситель продемонстрировал наилучшие свойства. Наибольшая эффективность преобразования солнечного света в электрический ток в 4,41% достигнута для элемента на основе красителя, содержащего тиено[3,2-b]индол в качестве электронодонорной части. 4,41% — это не рекорд, но вполне надежный результат», — рассказывает соавтор разработки, руководитель лаборатории перспективных органических материалов Института органического синтеза УрО РАН Александр Степарук.
Красители и солнечные элементы, с которыми работают ученые, имеют ряд преимуществ. Во-первых, красители синтезируют из органических веществ, из-за чего они менее токсичны по сравнению с аналогами, в основе которых металлы. Во-вторых, синтез материалов простой, дешевый и доступный. Он, как поясняют исследователи, позволяет варьировать заместители в структуре красителей и таким образом настраивать оптические, электрохимические и электронные свойства красителей. И в целом сенсибилизированные красителем солнечные элементы — это простые устройства, созданные из недорогих материалов и не требующие дорогостоящего оборудования и технологий. Так, стоимость производства сенсибилизированных солнечных элементов в два раза ниже кремниевых батарей (примерно 100 и 200 долларов за один кв. м).
«Сегодня сенсибилизированные солнечные элементы представляют выгодную альтернативу лидеру рынка — более дорогим и сложным технологиям кремниевых солнечных батарей. За рубежом данное направление крайне актуально и активно развивается. Различные компании работают над созданием, модификацией и продажей таких солнечных панелей. Продают даже готовые наборы для самостоятельного изготовления солнечных элементов для различных целей — от учебных до научных. Кроме того, есть примеры интеграции данных батарей в фасады зданий, создания „умных“ теплиц, ферм, гаражей и прочего. Однако на территории РФ в настоящее время ни производств, ни реальных примеров масштабного использования сенсибилизированных красителем солнечных элементов, к сожалению, нет», — констатирует соавтор статьи, доцент кафедры технологии органического синтеза УрФУ Геннадий Русинов.
Ученые уверены, эффективность преобразования солнечного света сенсибилизированными солнечными элементами еще не достигла предела и в будущем может сравняться с кремниевыми солнечными батареями.
«В настоящее время эффективность преобразования энергии в сенсибилизированных солнечных элементах составляет около 10 %, рекорд — 14–15 %, но с маленькой площади. Полагаю, в перспективе возможно достичь и уровня кремниевых батарей до 24–29 %», — добавляет Александр Степарук.
Как поясняют ученые, вариантов применения сенсибилизированных красителем солнечных батарей множество. Их можно использовать, например, для зарядки гаджетов или в индустриальном применении в виде полупрозрачных панелей интегрировать на фасады зданий. Если такие элементы встраивать в стекла, можно получить двойной эффект — защита от шума и попутная электрогенерация. Кроме того, можно добиться улучшения декоративной составляющей за счет панелей различного цвета. При этом для таких панелей не обязателен прямой солнечный свет, достаточно и рассеянного. Их также можно использовать для конверсии света искусственных источников (в настоящее время это крайне актуальное направление в мировой науке).
«Мы измерили эффективность солнечных элементов с нашим красителем при температуре от +10 °С до +55 °С. В первом случае нам удалось достичь эффективности в 5,38 %, но при нагревании мы наблюдали потерю эффективности до 2 %, — рассказывает Александр Степарук. — В целом нам с коллегами из ИОНХ РАН и НИУ МИЭТ под руководством Сергея Козюхина и Петра Лазаренко удалось разработать установку, которая позволяет измерять эффективность при различных температурах (от −30 до +60 °С). В настоящее время занимаемся данным вопросом, чтобы понять условия эксплуатации данных элементов, причины деградации и другие важные параметры».
В планах ученых — продолжить работу по синтезу новых красителей с заданными свойствами, апробировать их в солнечных элементах, изучить эффективность в условиях искусственных источников света, а также создать элементы с инвертированной структурой, масштабировать технологию.
Отметим, в России аналогичные работы по красителями и сенсибилизированным солнечным элементам ведутся в Институте органической химии Российской академии наук. За рубежом подобные исследования проводятся в Китае, Японии, Южной Корее, США, европейских странах, Бразилии, Египте, Иране.
Справка
Сенсибилизированные красителем солнечные элементы (или ячейки Гретцеля) имеют простую структуру, как правило состоят из двух электродов и иодсодержащего электролита. Один электрод состоит из высокопористого насыщенного красителем диоксида титана, нанесенного на прозрачную электропроводящую подложку. Другим электродом является прозрачная электропроводящая подложка с тонким слоем платины и/или углерода. Работу ячейки часто сравнивают с фотосинтезом, поскольку оба процесса используют окислительно-восстановительную реакцию, протекающую в электролите.
В России большие проекты в солнечной энергетике стали появляться после принятия в 2013 году правительственной программы, стимулирующей использование объектов возобновляемой энергии на оптовом рынке электроэнергии. В 2020 году принята Энергетическая стратегия РФ, рассчитанная до 2035 года. В ней уточняется, что при благоприятном развитии событий доля возобновляемых источников энергии в российской энергосистеме к этому году достигнет 3–5 %.
Анна Маринович
Уральский федеральный университет — один из ведущих вузов России, расположен в Екатеринбурге. Участник проекта по созданию кампусов мирового уровня — части национального проекта «Наука и университеты», реализуемого Минобрнауки России. Университет — участник государственной программы поддержки российских вузов «Приоритет-2030», выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы».