Возможности реализации проекта «Рулонные органические солнечные батареи», его сильные стороны и «узкие» места обсуждались в ходе дискуссии «Полимерные технологии в гелиоэнергетике – перспективы развития», состоявшейся во вторник, 19 апреля, на физическом факультете МГУ имени М. В. Ломоносова.

Будущее – за «умными» полимерами

Презентуя проект «Рулонные органические солнечные батареи», доцент физического факультета МГУ, сотрудник Международного лазерного центра МГУ, доктор физико-математических наук Дмитрий Паращук отметил, что созданный в лабораторных условиях учёными МГУ и Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) полимерный фотоэлемент представляет собой плёнку, состоящую из активного слоя – полимера, электродов из алюминия, гибкой органической подложки и защитного слоя.

Рис. 1. Дмитрий Паращук убеждён: нужно создать умный фотовольтаический полимер.

Сейчас идёт процесс усовершенствования его технических характеристик. Пока при рабочей площади полимерного фотоэлемента в 13 мм² коэффициент полезного действия составляет 4 процента, а при увеличении его площади до 1 см² КПД снижается до одного процента.

Рис. 2. Без комментариев.

Главные научные проблемы, которые предстоит решить учёным, как раз и состоят в повышении КПД, разработке защитных слоёв, «создании умных фотовольтаических полимеров» (стабильных полимерных плёнок с полупроводниковыми свойствами) и масштабировании.

Рис. 3. И вновь без комментариев.

Дмитрий Паращук перечислил требования к таким «умным» полимерам:

• ширина запрещённой зоны ~1 эВ;
• высокий коэффициент поглощения α>104 см^-1;
• поглощение света → электроны и дырки;
• длина диффузии фотоносителей > 1/ α;
• время работы >10000 часов, T до 80 °С.

Полимер должен состоять из широко распространённых на Земле элементов, а технология его применения – быть дешёвой. Для создания рулонных органических солнечных батарей фотоэлементы надо объединить в модули.

При решении вышеперечисленных проблем переход к коммерциализации и, соответственно, промышленной стадии проекта учёный считает вполне реальным.

Рис. 4.

«Покроем» всю Россию, затем – весь мир

Для полного удовлетворения потребностей России в энергии необходимо, по мнению Дмитрия Паращука, «покрыть» рулонными солнечными батареями территорию площадью 100×100 километров. Произойдёт это не раньше чем их эффективность достигнет 10 процентов. Использоваться должны тонкоплёночные фотоэлементы толщиной в 100 нанометров, причём, по расчётам учёного, нужна одна тысяча тонн материала с таким тонкоплёночным покрытием. Потребуются и технологии быстрого покрытия такой площади. Они есть в полимерной и полиграфической промышленности и обеспечивают скорость нанесения тонкоплёночных покрытий на большие поверхности от одного до 10 метров в секунду. Но чтобы воплотить задуманное, нужно «примерно 10 машин, которые непрерывно работали бы целый год».

Преимущества полимерных солнечных батарей, по словам Дмитрия Паращука, заключаются в их малом весе, гибкости, высокой скорости нанесения и экологичности. Для обеспечения мировой потребности в энергии необходимо построить шесть гелиоэлектростанций с КПД 8 процентов, отметил учёный.

Нерешённые вопросы

В правомерности такой постановки вопроса усомнился руководитель отдела ОКР ЗАО «Энергетические проекты» Алексей Тарасенко, по мнению которого транспортировка выработки солнечной энергии из нескольких климатически благополучных районов Земли для её распределения по всему миру будет весьма затруднительной. Были у Тарасенко и вопросы к предложенной Дмитрием Паращуком технологии производства солнечных батарей. Они касались сроков службы, стоимости, устойчивости к низким и высоким температурам, защиты от внешних воздействий. Последнее, по словам профессора, академика РАКЦ из ЦНИИМАШ Виталия Мельникова, стало основанием для Японии и США «вынести гелиотехнику на космическую орбиту» и создавать там солнечные электростанции.

Рис. 5. Валерий Кобрянский полагает, что предстоит
решить проблемы дефектности неупорядоченных
материалов и нахождения критериев их стабильности.

Одной из проблем в реализации проекта соавтор Дмитрия Паращука, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник ФИАН Валерий Кобрянский считает дефектность неупорядоченных материалов, которую поможет решить технология “Roll-to-roll”.

«Мы c Дмитрием Юрьевичем очень многие кусочки этой проблемы решили», – сказал учёный.

Вторая названная им проблема – нахождение критериев стабильности материала. В их поиске могут быть использованы принципы самоорганизации систем и матричного синтеза.

Заведующий лабораторией Института синтетических полимерных материалов РАН Сергей Пономаренко также признал, что основными проблемами полимерных солнечных батарей остаются эффективность и стоимость материалов, их чистота, термодинамическая стабильность смесей и срок службы полимеров. По его словам, «нужно и новые полимеры разрабатывать, и с ними активно работать, ища пути повышения эффективности с помощью различных добавок…» Кроме того, сдерживает масштабы исследований и разработок высокая стоимость предлагаемых на зарубежных рынках полимеров – 880 евро за один грамм P3НТ и 749 евро за грамм PCBM.

Некоторые сомнения в проработанности обсуждавшегося проекта высказал руководитель инновационной компании Whisker Михаил Гиваргизов. По его мнению, проект находится даже не на стадии НИР, а на научной стадии, поскольку его авторы пока не нашли ответы на вопросы: кто потребители продукции, каков потенциал эффективности?

Участников дискуссии, конечно, интересовали новизна и изюминка презентованного проекта. Основной его смысл, как сказал Валерий Кобрянский, в том, что «мы пытаемся создать новые материалы, которые будут высокоорганизованными, с низким содержанием дефекта». Авторы проекта уже получили новые полимеры, у которых стабильность возросла «во много тысяч раз». И они рассматриваются как прототипы материалов для солнечных батарей.

Сам же полимерный подход, по утверждению Дмитрия Паращука, предполагает не столько строительство отдельных электростанций, сколько создание их сетевой структуры с потенциалом децентрализации. Учёный уверен, что полимерная фотовольтаика будет конкурентоспособна уже через несколько лет. Стоимость пилотного модуля в лабораторных условиях, по оценкам экспертов, может сократиться с 8 евро за Вт до 1 евро за Вт (особенно при использовании слоя графена в качестве прозрачного электрода). А мощность полимерной фотовольтаики возрастёт к 2018–2025 годам более чем в 10 раз.

Руководитель компании «Парк-медиа», издатель журнала NewScientist RU Александр Гордеев считает, что проекты в области гелиоэнергетики обязательно найдут свою нишу в экономике.

Основные сферы, где будет применяться и уже применяется полимерная фотовольтаика, наряду с собственно гелиоэнергетикой, – это потребительская электроника, жилой и коммерческий сектор, оборонная промышленность. Объём рынка к 2017 году прогнозируется в 500 миллионов долларов. Появляются новые продукты, некоторые из них уже можно купить за рубежом: тенты, полупрозрачные навесы, зонты, палатки, сумки, светопреобразующие волокна и ткани.

В завершение дискуссии проректор МГУ, академик РАН Алексей Хохлов заявил, что полимерная гелиоэнергетика – перспективное направление в рамках программы развития Московского университета и технологической платформы, в которой МГУ участвует по наноматериалам и энергоэффективности, – будет активно развиваться в России.