Сэндвич из перовскитных пленок

В НИТУ МИСИС представили полноформатную солнечную батарею на основе гибридных перовскитов. Она выполнена только из отечественных материалов и готова к внедрению в производство. В России это первое подобное решение. Солнечная панель нового поколения дешевле аналогов по себестоимости, а цикл ее изготовления составляет 8–10 часов

По словам разработчиков, панель можно будет установить как в частный дом, так и на промышленные объекты. Соединение множества подъячеек в панели обеспечивает генерацию высокой мощности в условиях затенения и пасмурной погоды. Разработка открывает новые возможности по эксплуатации солнечной энергии даже в условиях Арктики и Крайнего Севера.

«В Университете МИСИС по программе “Приоритет-2030” сформирован и реализуется стратегический проект “Материалы будущего”, задача которого — создание инновационных материалов, в том числе с заданными свойствами. Ученые лаборатории перспективной солнечной энергетики под руководством кандидата технических наук Данилы Саранина на протяжении ряда лет разрабатывают материалы и технологии для альтернативной энергетики, ведут исследования в области увеличения срока эксплуатации и коэффициента полезного действия солнечных элементов нового поколения. Полноформатная батарея на основе гибридных перовскитов подтвердила свою эффективность в условиях рассеянного света и полностью готова к внедрению в производство», — рассказала ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова.

 Солнечная панель, разработанная специалистами МИСИС, — это многослойное тонкопленочное устройство, сделанное на основе гибридных перовскитов. Приборная структура представляет собой сэндвич из ультратонких пленок, примерно один микрон, тоньше человеческого волоса в десятки раз

Изделие выполнено с применением новых промышленных технологий. Использовалась импульсная лазерная обработка, кристаллизация тонких пленок в разреженной среде, а фотоактивные слои наносили жидкофазными методами. Панель изготовлена из 16 коммутированных перовскитных модулей. Корпус из противоударного, химически закаленного стекла фотоэлектрического качества разработан Российской стекольной компанией (ОАО «РСК»). Уникальные свойства перовскитов позволяют преобразовывать солнечную энергию при облачной погоде и низкой освещенности. Мощность панели — 7 Вт, напряжение — 48 В.

При активном взаимодействии с научно-техническим центром тонкопленочных технологий группы компаний «Хевел» (ООО «НТЦ ТПТ») ученые решили одну из сложнейших задач — герметизации солнечной батареи, чтобы предотвратить деградацию изделия под воздействием влаги и кислорода. Совместно удалось адаптировать применение эластомеров для ламинирования панели, обеспечив устойчивость к внешним воздействиям.

Перспективный конкурент кремния

«Ученые пытались найти альтернативу кремнию — посткремниевые полупроводники — начиная с 80-х годов прошлого века, — рассказал “Стимулу” заведующий лабораторией перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС Данила Саранин. — Нужно было поменять парадигму производства. Ведь чтобы получить хороший кремний, нужно взять кварцевый песок, получить из него силан. Далее — получение поликремния, рост кристаллов методом Чохральского или Сименса. Затем надо порезать все это на пластины, легировать. Специалисты оттачивали эту технологию 70 лет. И только сейчас солнечная энергетика более или менее может конкурировать в некоторых сферах с топливной и атомной. А переход на новую технологию, к примеру на перовскиты, при том же высоком КПД обещает кратно снизить себестоимость за счет применения дешевых материалов и упрощенного цикла печати. Производство монокристаллического кремния и печать перовскитной пленки по себестоимости просто несопоставимы».

В России сейчас 100% рынка — это кремниевые солнечные панели производства ГК «Хевел» и китайские аналоги. ГК «Хевел» в своем производстве использует гетероструктурные солнечные элементы, в основе которых — монокристаллические кремниевые пластины, покрытые с каждой стороны дополнительными тонкопленочными слоями аморфного кремния. КПД панелей — 22‒23%, это максимум возможного на данный момент.

Солнечная панель, разработанная специалистами МИСИС, — это многослойное тонкопленочное устройство, сделанное на основе гибридных перовскитов. Приборная структура представляет собой сэндвич из ультратонких пленок, примерно один микрон, тоньше человеческого волоса в десятки раз (толщина человеческого волоса — 30 микрон).

 «Когда представлены стандартные типоразмеры, стандартные техпроцессы, технологи начинают с тобой разговаривать на одном языке. Мы за два года сделали полноформатную солнечную панель, выстроили рабочие отношения с индустрией и в ближайшие три года планируем перейти к опытному производству»

Сердце солнечной батареи — слой перовскита, он сильно поглощает свет и генерирует положительные и отрицательные заряды. Задача приборной структуры — эффективно разделить плюсы и минусы и выдать электрический ток на соответствующие электроды — катод и анод.

В качестве материала для электродов используются металлы, такие как медь. Для положительных зарядов применяется керамическое покрытие ITO на основе оксида индия, так называемое дисплейное покрытие. Такое покрытие есть в каждом смартфоне, благодаря нему мы видим свет светодиодной матрицы и экран чувствует прикосновение наших пальцев

«Сам перовскит — это гибридная металлоорганика. Мы не используем минерал перовскит, то есть не выкапываем ничего в Уральских горах и не перерабатываем. Нас интересуют металлоорганические модификации, так называемые прекурсоры, которые содержат йод и селен. И главное, для получения перовскитов, которые хорошо работают в солнечных батареях, не нужна сверхчистота. Для кремния, для арсенида галлия обычно требуется чистота 99 и шесть девяток после запятой. А для перовскитов достаточно две девятки после запятой. Полупроводники такой степени чистоты — это мусор, найденный на помойке. А для перовскитчиков это эффективное сырье. Для специальных прослоек, которые отделяют электроны от дырок, используются такие банальные материалы, как оксид никеля. Для электронов чуть хитрее. Там применяется оксид олова или такое соединение, как фуллерен C60. И все это сэндвичем, слой за слоем, специальными жидкостными методами, можно сказать, что печатью, наносится на широкий формат», — говорит Данила Саранин.

Все эти материалы доступны в России. И команда НИТУ МИСИС после пандемии полностью перешла на отечественное сырье. Отметим, что жидкостная печать по сравнению с эпитаксией или вакуумно-плазменными методами, которые используются для выращивания слоев кремния, — это несовершенная методика. Она заведомо не позволяет контролировать рост пленок на атомарном уровне. И главная задача для разработчиков — на упрощенных технологических процессах получать высокое качество наносимых слоев.

Выйти на промышленное производство

«В мире уже существует целый ряд опытных производств, то есть когда технология вышла из лаборатории и преодолевает все детские болезни оптимизации уже в автоматизированных технических процессах, — рассказывает Данила Саранин. — И эта панель — отправная точка нашего взаимодействия с индустрией солнечной энергетики в России. Мы сотрудничаем с крупнейшей отечественной компанией в этой области — ГК “Хевел”».

Солнечная батарея — это прибор, фотоэлектрический преобразователь, комплексное изделие, требующее химически закаленного стекла, дисплейного покрытия, и все это на принципиально новых технологиях, отличных от изготовления кремниевых пластин. А еще нужна ламинация в особые материалы, эластомеры, которые обеспечивают влагонепроницаемость. По этим вопросам разработчики взаимодействуют, как уже упоминалось, с Российской стекольной компанией и целым рядом других.

«Когда ты приходишь к промышленникам с лабораторными образцами и кучей научных статей в высокорейтинговых журналах, то все кивают, высоко оценивают идею, но профессионалам-практикам неясно, с чего начинать, потому что в индустрии все привыкли к четким регламентам, стандартам, и все обычно заканчивается разговорами. А когда представлены стандартные типоразмеры, стандартные техпроцессы, технологи начинают с тобой разговаривать на одном языке. Мы за два года сделали полноформатную солнечную панель, выстроили рабочие отношения с индустрией и в ближайшие три года планируем перейти к опытному производству», — поясняет руководитель проекта.