Германский стартап Heliatek (Дрезден) начал производство опытных фотоэлементов, основанных на олигомерах. По словам разработчиков, их батареи столь же эффективны при перегреве и больших углах падения солнечных лучей, как и полимерные, но у них существенно выше жизненный цикл, сравнимый с дорогими кремниевыми фотоэлементами.

Применённая технология напыления олигомерных покрытий на полиэстеровую подложку более всего похожа на методику производства OLED-дисплеев для телефонов и телевизоров. Получаемые в результате панели гибки и, несмотря на меньший КПД, в реальных условиях вырабатывают столько же или даже больше энергии, чем обычные кремниевые, показывающие в теории отменный КПД.

Олигомерами называются вещества, молекула которых является цепочкой из небольшого числа одинаковых «звеньев». Этим они отличаются от полимеров, в которых число звеньев теоретически не ограничено.

Простым смертным олигомеры больше всего известны по одноцепочечным фрагментам молекул ДНК и РНК, используемым при гибридизации ДНК.

Рис. 1. Олигомерные фотоэлементы легко сгибаются и весят всего 0,5 кг на кв. м при ресурсе в 40–50 лет. (Здесь и ниже изображения Heliatek).

Компания Heliatek решила отказаться от попыток развития полимерных фотоэлементов, которые разрабатываются уже десятилетия, потому что все полимеры имеют тенденцию разрушаться под действием солнечного света, и даже экранирование не обеспечит их жизненным сроком, сравнимым с показателем кремниевых фотоэлементов.

К сожалению, олигомеры нельзя печатать на пластиковой подложке (что так выручает и удешевляет пластиковые батареи). Но сделанные на их основе фотоэлементы в конце прошлого года наградили Heliatek рекордным КПД для органических солнечных батарей — 9,8%.

Что ещё более важно, лабораторные испытания предсказывают таким батареям жизненный срок в 40–50 лет, то есть не меньше, чем у кремниевых аналогов. Дело в том, что молекулы олигомеров по определению устойчивее к УФ-излучению в частности и к радиации вообще.

Вакуумное осаждение позволило создавать двухслойные фотоэлементы, где каждый из слоёв точно настроен на определённую длину волны, что невозможно для печатаемых полимерных фотоэлементов.

Представленные на рынке кремниевые батареи дают КПД в 14–15%, что в полтора раза выше текущих показателей олигомерных фотоэлементов Heliatek, но те уже сейчас вырабатывают больше энергии с одного квадратного метра.

Завершённый недавно годичный цикл испытаний в Сингапуре позволил подтвердить этот лабораторный результат. А происходит это потому, что кремниевые фотоэлементы дают свои 15% только при 25 ˚С и угле падения света в 90˚.

Безоблачный полдень, однако, редок, особенно в странах, расположенных в высоких широтах. В то же время олигомерные батареи сохраняют одинаковый уровень КПД при значениях солнечного излучения от 100% до 10% от солнечной постоянной.

Последняя цифра, характеризующая пасмурный вечер зимнего дня в высоких широтах, позволяет эффективно использовать такие фотоэлементы даже в Россиях со Швециями, причём без дорогостоящих автоматизированных башен с сервоприводами, сохраняющими ориентацию на Солнце.

Словом, в ближайшее время компания намерена построить в Германии гелиэлектростанцию мощностью в 75 МВт и общей стоимостью в 60 млн евро, что в смысле цены за киловатт установленной мощности весьма и весьма неплохо. Введение объекта в строй планируется на конец нынешнего лета.

Даже в экваториальных странах, где Солнце близко к зениту подавляющую часть светового дня, воспользоваться этим кремниевая батарея не может, потому что при 50 ˚С она в лучшем случае способна на КПД в 7–8%, а в ясную погоду разогрев фотоэлементов может быть куда бóльшим.

Рис. 2. Тандемный фотоэлемент толщиной в 500 нм состоит из защитного слоя, двух слоёв олигомеров и полиэстеровой подложки.

Чтобы снизить стоимость вакуумного осаждения при производстве олигомерных батарей, Heliatek осуществляет его не на стеклянную подложку, как это обычно бывает, а на тонкую полиэстеровую плёнку. Вес такой батареи весьма невелик — всего 0,5 кг на кв. м (против 12–17 кг на кв. м у кремниевых аналогов). Именно это преимущество подтолкнуло немцев к несколько необычному решению. Помимо создания стёкол на базе своих полупрозрачных фотоэлементов (шаг, которым в наше время уже не удивишь), Heliatek обратилась к своим могущественным соучредителям (BASF, Bosch и др.) с просьбой в экспериментальном порядке начать отделку такими фотоэлементами наружных стен бетонных строений и сооружений. Ведь полиэстер (что в основе фотоэлементов) — это водонепроницаемый пластик, широко применяемый для покрытия металлочерепицы.

А значит, он обеспечит такую же надёжную защиту от влаги, как традиционные отделочные материалы. И при этом никакого оштукатуривания стен, которые к тому же будут производить электричество!