Когда перовскитные фотоэлементы перевернут мир?

Не останавливаясь на плюсах солнечной энергетики, о которых все наслышаны, сразу напомним о минусах: пока она разумна для Сахары и экономически самоистребительна для Германии. Мы бы даже сказали, что в первой целесообразные решения, подобные переходу на возобновляемое электричество, принимаются реже, чем во второй. Правда, в последние годы эти два земных уголка по рациональности решений в области энергетики не так уж сильно отличаются. Дорогие кремниевые батареи на родине сумрачного тевтонского гения выглядит не лучше, чем энергетический даосизм граждан африканских пустынь.

Чтобы поправить это, нужны сущие пустяки: либо поднять эффективность солнечных батарей в несколько раз, при этом не повысив цену, либо удешевить в 10–100 раз, пусть даже ценой падения КПД; главное — перебить нехватку солнечного света в развитых странах. Как вы понимаете, всё это принципиально не сложнее полёта на Луну — и, как и такие полёты в обозримом будущем, далеко от реальности. Но есть и третий путь.

Материалы типа хлорид-иодида метиламмония свинца с формулой типа CH3NH3Pb2Cl могут сломать шаблон «либо дорого, либо с низким КПД».

Профессор Мартин Грин (Martin Green) из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия), один из ведущих исследователей в области перовскитных солнечных батарей, замечает, что их можно изготавливать «при помощи очень простой и потенциально дешёвой технологии, при том что их эффективность растёт исключительно быстро». И действительно, группа Михаэля Гретцеля, открывшего одноимённые ячейки и затем переключившегося на их перовскитные варианты, недавно добилась от них КПД в 15,4%. Да, это норма для сегодняшних фотоэлементов из кристаллического кремния, но значительно больше, чем у полимерных солнечных батарей или стандартных ячеек Гретцеля. Главное — материал этот «дешёв, как грязь», по словам самого г-на Гретцеля.

Перовскитные материалы имеют сравнительно простую структуру и не нуждаются для своего производства в энергоёмких и сложных процессах: не требуют вакуумных камер и тысячеградусных температур, как кристаллический кремний, или даже сверхвысокой чистоты самого материала. Его ещё и расходуется меньше, поскольку стандартный фотоэлемент на кремнии в толщину имеет 180 мкм, а перовскитные ячейки — всего 1 мкм, то есть по кубометру на квадратный километр площади. Следовательно, они много легче и требуют более дешёвых поддерживающих конструкций, а также без труда могут наноситься на обычные поверхности вроде домовых стен и пр. В итоге оценка стоимости новых фотоэлементов при массовом производстве весьма заманчива: 10–20 центов за ватт мощности при стоимости нынешних фотоэлементов made in China в 75 центов за ватт (без установки и поддерживающих рам). Для ветротурбин общая стоимость той же единицы установленной мощности превышает доллар, а для ТЭС доходит до полутора.

Наконец, сам г-н Гретцель заявляет, что нет никаких причин, по которым КПД перовскитных ячеек не может вырасти до 20–25% при той же цене, а такая эффективность уже равна лучшим кремниевым достижениям в лабораториях. Мы могли принять его слова за оптимизм первооткрывателя, если бы не факты. Они упрямы: в 2009 году, когда появился первый перовскит-фотоэлемент, 3,5% для них были потолком; в прошлом году рекордом стали 11%; сегодня же зафиксирован показатель в 15,4%. Рост КПД в 4,4 раза за четыре года сопровождался резким увеличением ресурса ячеек, нынче доведённого до уровня обычных массовых аналогов.

Причём потенциал роста не исчерпан: материал хорошо проводит заряд — лучше оксида титана, первоначально использовавшегося в ячейках Гретцеля. Электролит в нём твердый, что исключает вероятность замерзания, а перовскитная плёнка на поверхность пористого оксида алюминия (изолятор) наносится обычным накручиванием.

Есть и попытки коммерциализации: Oxford Photovoltaics во главе с Генри Снейтом (Henry Snaith) из Оксфордского университета уже собрала $4,4 млн инвестиций. Учитывая, что оригинальные ячейки Гретцеля на диоксиде титана, несмотря на не столь высокую эффективность, уже коммерциализированы (в том числе на чехлах iPad 'ов), нет оснований сомневаться в неплохом будущем перовскитов.

На первом этапе прямой конкуренции можно избежать: плёнка перовскитного фотоэлемента легко наносится на кремниевую солнечную батарею, резко наращивая её КПД, повышая стоимость не более чем на 20%. Есть и недостаток, конечно: нынешние варианты этого вещества включают некоторое количество свинца, а значит, при широком развёртывании без утилизации они неизбежно попадут в воду и наши кости, делая с ними всё те же ужасные вещи, что и с древнеримскими. Но не стоит драматизировать: квадратный километр перовскитных фотоэлементов содержит куда меньше свинца, чем аккумуляторы 1 000 легковых автомобилей, так что догнать угрозу от свинцовых АКБ у новых ячеек всё равно не выйдет, да и их утилизация не так сложна.

Но положение всё равно не без сложностей: нынешние лабораторные успехи требуют массового тиражирования. Вспомним, что кристаллический кремний в солнечных батареях по своей сути за последние двадцать лет не слишком изменился. Но если в 1993-м он был предметом повышенного интереса в основном в лабораториях, то сегодня кремниево-солнечная энергетика удваивается раз в пять лет, и после очередного скачка в 2018 году цена вырабатываемого ею киловатт-часа должна упасть до 14 центов, то есть ниже той, которую к тому времени будете оплачивать вы, читатель. Несомненно, на действительно массовый уровень перовскитам не выйти ни за пять, ни даже за 15 лет. Но, кажется, к 2030 году немецкая решимость переориентировать свою энергетику на Солнце больше не будет выглядеть экономическим самоубийством — в отличие от российской «равнодоходности», которую нам обещают устроить гораздо раньше.