Энергетика шестого уклада...и РОСНАНО...?

     Всем известны ,а  у многих и на слуху невероятнейшие провалы наших "инноваторов" на ниве "солнечной энергетики"...
Тут и провал нескольких проектов РосНано по "солнечному" монокристаллическому кремнию, тут и провалы ГК "Ренова" по созданию "солнечных" структур на основе кремния, наносимого из газовой фазы кремнийорганических соединений...
Так в чём же дело, почему во всём Мире бум солнечной энергетики, а у нас провал за провалом ?

Всё не так просто, поскольку на момент развала СССР с его огромным научным потенциалом все познания в фотоэлектрических способах промышленного преобразования света были , в основном на основе кремниевых тонкослойных структур..., а многие учёные , работавшие с конкурентными кремнию материалами уехали из страны в научные центры Мира, предложивышие им работу по специальности...

Теперь уже не секрет, что пущенные по "ложному следу" наши инноваторы , "достойно" промотали народные деньги на устаревшие технологии и в кремниевой "солнечной энергетике" и в литиевых хим. источниках тока.

А в Мире уже "печатают" солнечные батареи на тканях, на пластиках, наносят на оконные светопрозрачные конструкции, как обычную краску...

Рекордсменом по КПД среди солнечных батарей, из числа так или иначе доступных на рынке сегодня, являются, разработанные Институтом гелиоэнергетических систем Общества имени Фраунгофера в Германии, солнечные батареи на базе многослойных фотоэлементов.

Размер самих фотоэлементов не превышает 4 миллиметра, а фокусировка солнечного света на них достигается путем применения вспомогательных концентрирующих линз, благодаря которым насыщенный солнечный свет преобразуется в электричество с КПД достигающим 47%.

Батарея содержит четыре p-n перехода, чтобы четыре различные звена фотоэлемента могли эффективно принимать и преобразовывать излучение с конкретной длиной волны, из солнечного света, сконцентрированного в 297,3 раза, в диапазоне длин волн от инфракрасного до ультрафиолетового.

Исследователи под руководством Франка Димирота изначально поставили перед собой задачу вырастить многослойный кристалл, и решение было найдено, - они срастили подложки для выращивания, и в результате был получен кристалл с различными полупроводниковыми слоями, с четырьмя фотоэлектрическими подъячейками.

Процесс выращивания получился сложнее, чем это имеет место в традиционном производстве кремниевых батарей, однако производительность новых батарей удвоилась. К тому же расходы на создание системы с концентратором здесь ниже, чем при создании обычных солнечных батарей.

На втором месте – солнечные батареи на базе трехслойных фотоэлементов Sharp, КПД которых достиг 44,4%. Фосфид индия-галлия – первый слой фотоэлемента, арсенид галлия – второй, арсенид индия-галлия – третий слой. Три слоя разделены диэлектриком, который служит для достижения туннельного эффекта.

Концентрация света на фотоэлемент достигается благодаря линзе Френеля, как и у немецких разработчиков, - свет солнца концентрируется в 302 раза, и преобразуется трехслойным полупроводниковым фотоэлементом.

Научные исследования по развитию этой технологии непрерывно велись Sharp, начиная с 2003 года при поддержке NEDO – японской организации общественного управления, содействующей научным исследованиям и развитию, а также распространению промышленных, энергетических и экологических технологий. К 2013 году Sharp был достигнут рекорд в 44,4%.

За два года до Sharp, в 2011 году, американская компания Solar Junction уже выпустила аналогичные батареи, но с КПД 43,5%, элементы которых обладали размером 5 на 5 мм, и фокусировка также производилась линзами, концентрируя свет солнца в 400 раз. Фотоэлементы были трехпереходными на основе германия, и группа планировала даже создать пяти и шестипереходные фотоэлементы, чтобы лучше захватить спектр. Исследования ведутся компанией и по сей день.

Таким образом, максимально рекордным КПД обладают солнечные батареи, выполненные в сочетании с концентраторами, которые, как мы видим, производят и в Европе, и в Азии, и в Америке. Но эти батареи в основном изготавливаются для постройки наземных солнечных электростанций крупных масштабов и для эффективного электроснабжения космических аппаратов.

Полимерные солнечные батареи

Солнечные батареи хоть и экологически чистые, но при этом – весьма дорогие. Ученые нашли им альтернативу – полимерные солнечные батареи. 

Фотоэлементы «традиционных» солнечных батарей производят из кремния. Процесс производства таких батарей сложен и весьма дорог. Несмотря на то, кремний - это очень распространенный элемент и что в земной коре содержится около 20% кремния, процесс превращения исходного песка в высокочистый кремний очень сложен и дорог.

Кроме того, порой возникают проблемы с утилизацией отработанных фотоэлементов, поскольку в этих фотоэлементах помимо кремния содержится еще и кадмий. И наконец, кремниевые фотоэлементы по мере работы сильно нагреваются. После чего их производительность начинает снижаться. Поэтому кремниевым батареям помимо фотоэлементов требуются еще и дорогостоящие системы охлаждения. Подобнее об этом смотрите здесь: Как устроены и работают солнечные батареи. Все это заставило ученых искать более эффективные способы преобразования солнечной энергии.

Полимерные солнечные батареи

Альтернативой кремниевым солнечным батареям могут стать полимерные солнечные батареи. Это новая технология, над развитием которой работают десятки научно-исследовательских институтов и фирм по всему миру.

Полимерный фотоэлемент - это пленка, которая состоит из активного слоя (полимера), электродов из алюминия, гибкой органической подложки и защитного слоя. Для создания рулонных полимерных солнечных батарей отдельные пленочные фотоэлементы объединяют между собой.

Достоинства полимерных солнечных батарей по сравнению с обычными кристаллическими: компактность, легкость, гибкость. 

Такие батареи недороги в производстве (для их изготовления не используется дорогой кремний) и экологичны, так как они оказывают на окружающую среду менее значительное влияние.

Недостаток пока один - эффективность преобразования солнечной энергии полимерных солнечных батарей пока очень низкий. Этот недостаток и ограничивал создание таких батарей на уровне образцов-прототипов.

В настоящее время, наибольший коэффициент полезного действия полимерных солнечных батарей удалось добиться Алану Хигеру из центра полимеров и органических твёрдых частиц университета Калифорнии в Санта-Барбаре (семь лет назад он получил Нобелевскую премию по химии за открытие и развитие проводящих полимеров) и Кванхе Ли из корейского института науки и технологии в Гванджу.

Их солнечная батарея имеет КПД в 6,5% при освещённости в 0,2 ватта на квадратный сантиметр. 

Это самый высокий уровень, достигнутых для солнечных батарей из органических материалов. И хотя лучшие кремниевые солнечные батареи имеют КПД 40%, тем не менее к полимерным батареям во всем мире проявляют очень сильный интерес. Правда технология производства таких батарей находится пока еще в ранней стадии своего развития.

Первые полимерные батареи в промышленных масштабах начали выпускать в Дании.

Совсем недавно датская компания «Mekoprint A/S» запустила первую линию, 

на которой будут производится полимерные солнечные батареи. Компания около 10 лет занималась проектно-конструкторскими работами и вот теперь готова к массовому выпуску таких батарей.

Производство заключается в многослойной печати солнечного фотоэлемента на гибкую пленку, которую затем можно скручивать, разрезать и делать из пленки солнечные батареи абсолютно любых размеров.

Первые полимерные батареи в промышленных масштабах начали выпускать в ДанииПо заявлениям специалистов компании, основной плюс полимерных батарей – это их дешевизна. Их производство обойдется компании как минимум в 2 раза дешевле, чем производство обычных, кремниевых батарей. Это обстоятельство, в свою очередь, скажется на рыночной стоимости полимерных батарей и в результате они станут намного доступнее.

Вторым плюсом полимерных батарей является их потрясающая гибкость. 

Такую батарею – можно резать ножом, можно сворачивать в трубку, можно наклеить на любую поверхность совершенно произвольной формы.

При желании такую батарею можно наклеить даже на одежду (что и было однажды проделано датскими специалистами). Полимерная батарея была наклеена на обычную шапку. И в солнечную погоду мощности батареи вполне хватало на то, чтобы от нее работал небольшой переносной радиоприемник.

И наконец, нельзя не упомянуть и о чистоте процесса производства таких батарей. Оказывается. их производство не вреднее, чем производство обычной пластиковой посуды и о вредных выбросах в атмосферу, происходящих при производстве обычных батарей из кремния скоро можно забыть. 

Солнечные батареи из перовскита

Вещество, известное ученым уже более ста лет, только сегодня, в начале XXI века, оказалось весьма перспективным материалом для производства дешевых и эффективных солнечных элементов. 

Перовскит, или титанат кальция, впервые найденный в виде минерала немецким геологом Густавом Розе в Уральских горах еще в 1839 году, 

и названный в честь графа Льва Алексеевича Перовского, славного государственного деятеля и коллекционера минералов, героя Отечественной войны 1812 года, оказался наиболее подходящим претендентом на роль альтернативы кремнию в производстве солнечных батарей.

Минерал был открыт в XIX веке, но объявлен прорывным материалом был только в 2013 году. 

Перовскит привлек внимание ученых своей необычной кристаллической структурой в виде неправильного куба, присущей различным соединениям с полупроводниковыми свойствами.

Структура перовскита напоминает неправильный куб

Последние годы СМИ нередко публикуют новости о солнечных батареях из перовскита, которые хоть пока и уступают кремниевым по эффективности, но более дешевые, и потому у них неплохие перспективы в сфере ЖКХ. В России разработку перовскитовых фотоэлементов поддерживают на государственном уровне.

Для создания фотоэлемента достаточно тонкого слоя материала со структурой перовскита. 

Чтобы ее получить, иодид свинца и металлоорганический иодид растворяют в диметилформамиде и наносят на подложку, например, из органического полимера. 

Затем структуру отжигают при температуре 90-110 градусов Цельсия, — так происходит формирование поликристаллической пленки из перовскитных молекул. 

В результате получаются гибкие полупрозрачные панели. 

Создать такие из кремния невозможно.

Скачущие электроны

В фотовольтаическом элементе фотопроводящий слой перовскита зажат между слоями еще двух полупроводников, например, из оксида металла и органического полимера, служащих для транспортировки носителей заряда. 

У электронов в атомах (в частности, входящих в состав полупроводника) разная энергия, и на основании этого их можно разделить по уровням. В физике рассматриваются три верхних уровня, в пределах которых и происходит движение носителей заряда. Нижний уровень, валентная зона, полностью заполнен электронами. Там они почти не способны двигаться — зажаты, как пассажиры в автобусе в час пик. Следующий энергетический уровень для них запрещен законами природы: электроны способны только прыгнуть через него и оказаться в зоне проводимости. Но где взять энергию? Для этого и нужен солнечный свет, то есть поток фотонов. Они как бы толкают электроны, придавая им силы прыгнуть "выше". На месте, где были электроны, остаются положительные носители заряда, называемые дырками.

Электроны совершают прыжок в зону проводимости, получив энергию

В зоне проводимости электроны становятся свободными и могут двигаться из одного слоя фотоэлемента в другой, избавляясь от избытка энергии. Свободные электроны через слой одного полупроводника направляются к катоду, а дырки через слой другого полупроводника устремляются к аноду, и процесс повторяется заново. Эти дополнительные слои полупроводников выполняют роль своеобразных приемщиков носителей заряда, более эффективно разводя их к электродам.

В солнечных батареях на перовските используют еще два материала с разным типом проводимости

Почему перовскит еще не завоевал мир

"Рекордная эффективность (коэффициент полезного действия) кремниевых батарей составляет сегодня 26,6 процента. 
Исследователи достигли той же конкурентоспособной величины в устройствах с использованием нового материала в 22,7 процента. 
Однако следует учитывать, что с кремнием физики работают уже полвека, а вот перовскит изучают всего около девяти лет. 
Думаю, дальнейший рост эффективности — это вопрос самого ближайшего времени при современном уровне развития химии, полупроводниковой электроники, и интенсивности исследований в данной области", — рассказывает Данила Саранин, сотрудник научно-образовательного центра "Энергоэффективность" НИТУ "МИСиС".

Главный недостаток солнечных батарей на перовските заключается в том, что под воздействием фотонов атомы между слоями начинают "путешествовать", из-за чего в структуре возникают дефекты. 

Со временем устройство теряет эффективность. 

Пока наилучший результат по сохранению коэффициента полезного действия для элемента на перовските — 13 процентов за год работы.

Ждем энергоэффективных зданий

Ученые полагают, что перовскитовые солнечные панели лучше подходят для бытовых целей, чем кремниевые, за счет того, что они полупрозрачны. Их можно даже разместить в окне вместо стекла. Такая солнечная батарея прозрачна из-за малой толщины, составляющей порядка сотен и даже десятков нанометров.

Учитывая открывающиеся перед перовскитом перспективы, в программу Евросоюза Zero Energy Buildings (что можно перевести как "Здания с нулевым потреблением энергии") включили "оклеивание" архитектурных сооружений солнечными батареями на основе этого необычного материала.

Аналогичную задачу решают ученые в НИТУ "МИСиС", чей проект "Широкоформатные полупрозрачные солнечные панели c использованием стабильных перовскитных архитектур" поддержан мегагрантом Минобрнауки. 

Руководить работами пригласили иностранного специалиста Альдо ди Карло, профессора кафедры оптоэлектроники и наноэлектроники Римского университета Тор Вергата.

"Наша цель — создание дешевых, гибких и производительных солнечных батарей, которые можно встраивать в фасады зданий или окна. Для начала надо научиться изготавливать крупные устройства, соответствующие масштабам зданий. Параллельно мы будем решать комплексную задачу по подбору новых материалов для эффективных перовскитовых солнечных батарей, стабилизировать существующие соединения, исследовать их свойства как теоретически, так и экспериментально", — делится дальнейшими планами Саранин.

На сегодняшний день нашим физикам удалось уменьшить деградацию одного из полупроводников, входящих в перовскитовый фотоэлемент, и сконструировать с его помощью экспериментальную солнечную батарею, которая показала среднюю эффективность почти за год 15 процентов.

Сегодня лучшую эффективность преобразования света в электричество показывают гибридные перовскитные фотоэлементы на основе органо-неорганических материалов APbI3, где A может быть различными органическими катионами (A=CH3NH2+ или HC(NH2)2+)

КПД лучших лабораторных образцов таких устройств достигает 22%, приближаясь к характеристикам фотоэлементов на основе кристаллического кремния, однако коммерциализация подобных устройств очень затруднена из-за их плохой эксплуатационной стабильности - они очень быстро деградируют во время своей работы в условиях внешней среды из-за термического и фотохимического разложения перовскитов.

Чем заменить гибридные перовскитные солнечные батареи

Наиболее эффективным подходом к созданию стабильных перовскитных материалов считают полную замену органических катионов на неорганические. Однако вместе с такой заменой резко падает эффективность устройства - например, солнечные батареи на основе пленок CsPbI3, полученных осаждением из раствора, ранее показывали эффективность преобразования света всего в 2-3%.

В новой работе российские ученые предложили получать CsPbI3 за счет другого процесса - термического соиспарения йодидов цезия и свинца. В результате солнечные батареи на базе такого неорганического перовскита в их измерениях показывали стабильный КПД около 10%. При этом контрольные образцы солнечных элементов с аналогичной архитектурой на основе пленок гибридного перовскита CH3NH3PbI3 обладали сопоставимыми эффективностями в 10-12%.

Результаты работы опубликованы в журнале Journal of Physical Chemistry Letters.

В апреле 2017 года физики из Австралийского национального университета отчитались о повышении эффективности до 26%.

Для получения этого результата ученые механически соединили перовскитовые элементы с кремниевыми. 

Новые устройства оказались намного дешевле тех, которые мы применяем сейчас. А это ключевой параметр при использовании солнечной энергии, ведь преобразователями придется покрывать крыши домов или большие участки пустынь. Однако, по надежности перовскитовые элементы пока заметно уступают кремниевым, признались ученые.

Достижение австралийцев не помешало корейским и бельгийским исследователям заявить о собственных рекордах. 

Цифры, правда, прозвучали более скромные. Ученые из корейского университета UNIST довели эффективность перовскитовых солнечных элементов до 22,1%. 

Решением стал тщательный контроль за ростом кристальных слоев. Выигрыш в КПД достиг 2%.

Исследователи из бельгийского исследовательского центра IMEC смогли увеличить производительность перовскитовых солнечных батарей до 23,9%. 

Разработчики изменили архитектуру элементов — поместили между перовскитом и кремнием отражающую жидкость. В результате разброс рекордов колеблется от 23,9 до 26%, это позволяет говорить о том, какими цифрами мы оперируем. Для сравнения, самый дорогой и сложный кремниевый преобразователь гарантирует КПД 31,3%.

Но уже сегодня происходят открытия, которые позволят в ближайшем будущем поставить точку в этом соревновании.

Так, изобретение физиков из Университета Пердью способно удвоить эффективность фотоэлементов из перовскита. 

Ученые предлагают увеличить расстояние, которое электрон проходит в состоянии «горячего носителя», обладая дополнительной энергией. Применение гибридного материала, включающего перовскит, позволит носителям существовать до 100 пикосекунд. Речь идет о наноскопических величинах, но именно они обеспечивают улучшение результата в два раза.

Еще 30% эффективности обещают ученые из Кембриджского университета, но пока только в теории. Физики рассчитывают на огромной скорости, за несколько фемтосекунд, превратить солнечный свет в электроны, а затем извлечь из них электрический заряд.

Плюс 20% КПД планируют получить также специалисты из Технологического института Джорджии (США). Путем к эффективности они называют капельную печать.

Спрей, который превращает любую поверхность в фотоэлемент — это, наверное, самый завораживающий образ, связанный с применением перовскитов.

   Вы наносите тонкую пленку на крышу дома, сарая или машины и через несколько минут новая солнечная батарея уже начинает вырабатывать энергию. 
   Подобной разработкой занимается компания Oxford Photovoltaics, разумеется, с применением перовскита. 
   Создатели обещают, что распылители жидких фотоэлементов поступят в продажу уже в 2018 году.

О перовскитовых чернилах думают и в Научной лаборатории ВВС США (AFRL). 

Военных больше всего интересует снижение цены продукта и возможность печатать солнечные батареи на трехмерных объектах. 

Эксперименты проходят успешно, вот только КПД преобразователя, нанесенного на объемный предмет, падает с 15,4% до 5,4%.

Принципиально новые решения, как это часто бывает, возникают на грани разных наук.

 Стэнфордские физики изменили дизайн перовскитовых солнечных батарей под впечатлением от биологического объекта — фасетчатых глаз насекомых. 

Такая архитектура не увеличивает КПД, но защищает хрупкий перовскит от износа, тепла и влаги.

Впрочем, вода может не только разрушить перовскит, но и восстановить его молекулярную структуру. Над этой возможностью работала Международная группа ученых из США, Великобритании и Нидерландов. Под действием воды и света формируется супероксид, который нейтрализует дефекты и создает защитный слой. Главное, чтобы воздействие воды на кристалл не превышало 30 секунд, больше он не выдержит.

Все это касалось солнечных батарей, повышения их эффективности и надежности. Но перовскит применяется не только в фотоэлектрических преобразователях.

Инженеры из Университета Квинсленда в Австралии воспользовались кристаллом, чтобы улучшить свойства твердооксидного топливного элемента — устройства, которое производит электрическую энергию, окисляя топливо. Перовскит придал этой системе лучшие результаты из известных науке.

Еще минерал может стать важнейшим элементом коммуникационных схем, обеспечить терагерцовый спектр широкополосной связи. 

Физики из Университета Юты работают над тем, чтобы использовать его для передачи данных на частоте до 10 000 ГГц — фактически инфракрасного цвета. Оказалось, перовскит позволяет модулировать терагерцовые волны при помощи простой галогенной лампы. 

Открытие может заметно увеличить скорость работы модемов и телефонов, привести к созданию принципиально новых вычислительных систем.

При создании HD-дисплеев нового поколения галоидные перовскиты будут использоваться как проводники, способные быстро менять цвета. 
Размер пикселя при этом уменьшится до 500 нанометров. 
А производство будет дешевле и проще, чем изготовление современных коллоидных полупроводников.

Большинство разработчиков обещают, что рыночные версии приборов с применением перовскита появятся уже в 2018 году. 

Так что это не столько обзор достижений прошлого года, сколько прогноз на будущее. 

Наглядный пример того, как наука у нас на глазах становится техникой.

И всё же..., о больном :

"...Планшет, НИТОЛ, Лиотех, Оптоган, обвинения в рейдерском захвате Hi-tec производств (скандал с компанией “САН”, 2013 г.), запросы от депутатов и результаты проверок Счетной палаты, свидетельствующие о деятельности, связанной с грубым нарушением законодательства РФ. 
Список деяний Анатолия Чубайса на посту главы АО “Роснано” тянет на многочисленные тома уголовного дела. 
Удивительно, как после всех этих неудач "гражданину Чубайсу" удается сохранять политический вес и оставаться на посту одной из самых важных и капиталоёмких госкорпораций России!"