28-летняя петербургская ученая пытается обуздать энергию Солнца

Солнечные батареи — это уже вторая попытка человечества использовать энергию Солнца себе на благо. Первыми появились солнечные коллекторы (солнечные термальные электростанции), в которых электричество вырабатывает нагретая до температуры кипения под сконцентрированными солнечными лучами вода. Солнечные же батареи производят непосредственно электричество, что намного эффективнее.

Современные солнечные батареи состоят из цепи фотоэлементов — полупроводниковых устройств, преобразующих солнечную энергию напрямую в электрический ток. Процесс преобразования энергии солнца в электрический ток называется фотоэлектрическим эффектом.

Данное явление открыл французский физик Александр Эдмон Беккерель в середине XIX века, а первый работающий фотоэлемент создал русский ученый Александр Столетов.

Первым в истории фотоэлектрическим материалом был селен. Именно с его помощью производили фотоэлементы в конце XIX и начале XX веков. Но учитывая крайне малый КПД (менее 1%), селену сразу же начали искать замену.

Массовое производство солнечных батарей стало возможным после того как телекоммуникационная компания Bell Telephone разработала фотоэлемент на основе кремния. Он до сих пор остается самым распространенным материалом в производстве солнечных батарей, но очистка кремния — это затратный процесс, а потому поиск альтернативы не прекращается.

Именно этими поисками и занималась Александра Фурасова — молодая ученая из Санкт-Петербурга, пока не остановила свое внимание на минерале перовските. Теперь Александра работает над тем, чтобы создать максимально эффективные элементы для солнечных батарей из этого минерала.

Перовскит (или титанат кальция) является одним из самых распространенных на земле минералов. Он был открыт немецкими геологами более 170 лет назад, но интерес к минералу, как потенциальному полупроводнику для солнечных батарей, возник только в 21 веке. Первые же эксперименты подтвердили, что передачу электрического заряда перовскитные солнечные элементы осуществляют ничуть не хуже «классики» из кремния.

Солнечные батареи на основе перовскита стали очень популярны в последние несколько лет. В 2013 году журнал Science включил перовскит в топ-10 прорывных технологий. Этот материал позволяет создавать недорогие, эффективные и удобные в применении солнечные ячейки. Но толщина перовскитного слоя при этом не должна превышать нескольких сотен нанометров, а это не позволяет максимально эффективно захватывать свет.

Чтобы увеличить поглощение батареи, не увеличивая толщину перовскитного слоя, нужно изменить поверхность так, чтобы свет локализовался сильнее. Для этого ученые используют плазмонные наночастицы на основе металлов. Они позволяют лучше захватывать свет, но обладают существенными недостатками. Например, плазмонные частицы поглощают часть энергии сами, при этом нагреваясь и повреждая батарею.

Команда Александры Фурасовой совместно с коллегами из СПбГУ, Италии и США предложили использовать наночастицы из кремния, чтобы решить эти проблемы.

Другим удивительным отличием перовскитов от известных полупроводников является мягкость материала и возможность его деформации без потери эффективности работы, а это значит, что его можно нанести на любую поверхность и придать ему любую форму.

Путь Александры состоит не только из побед, но и из сложных задач: необходимо найти способ повысить стабильность прототипа и сделать разработку коммерчески доступной.

Однако, эксперты настроены оптимистично и прочат разработке Александры большое будущее.

«Если перовскиты выйдут на рынок, то они займут не менее 50% мирового производства» — говорит кандидат технических наук, доцент МИСИС Борис Эйдельман.

Александра надеется, что уже через 5-10 лет словосочетания «перовскитные нанотехнологии» будет на слуху у широкого потребителя и ее разработка сможет сделать жизнь людей проще и лучше.