Российские ученые приступили к разработке солнечных батарей нового поколения

Графен – слой атомов углерода толщиной всего в один атом. Его открыли десять лет назад, но лишь недавно ученые разработали простые методы обработки, повышающие проводимость графена.

За изучение графена два наших соотечественника, Андрей Гейм и Константин Новоселов, в 2010 году были удостоены Нобелевской премии по физике. Вручили им ее за «передовые опыты с двумерным материалом – графеном». В тексте премии говорилось, что лауреатам удалось «продемонстрировать, что монослойный углерод обладает исключительными свойствами, которые проистекают из удивительного мира квантовой физики». Новоселов является учеником Андрея Гейма, он начинал свою научную карьеру под его руководством. И стал самым молодым нобелевским лауреатом по физике за последние 37 лет. Оба они учились в МФТИ, а затем работали в научном институте в Черноголовке, где и познакомились, начав совместные разработки. В 2001-м Гейм уехал продолжать исследования в Манчестерский центр по мезонауке и нанотехнологиям, а Новоселов отправился в Университет Неймгена.

Семьдесят лет назад Лев Ландау и Рудольф Пайерлс были уверены, что графен существовать не может: силы взаимодействия между атомами должны смять их в гармошку или свернуть в трубочку. Однако из любого правила есть исключения.

Исключение это было открыто совершенно случайно. Гейм и Новоселов обратили внимание на клейкую ленту, с помощью которой готовят графит (тот же самый, который находится в карандашах) для работы на микроскопе. Обычно эту ленту выбрасывают, но любопытные ученые решили изучить оставшиеся на ленте следы графита. За это в англоязычной прессе их прозвали "garbage scientists" – мусорными учеными. Cклеив и расклеив скотч с остатками графита несколько раз, ученые получили графен – тончайший материал толщиной в один атом. При этом, это прочный, возможно, самый прочный материал на земле, который может в скором времени упростить жизнь человечества.

Легкость, прочность и способность хорошо проводить электричество позволяют применять графен во многих сферах и отраслях, от медицины до производства микросхем.

Главное – графен проводит электричество так же хорошо, как и медь, на его базе можно создавать сенсорные экраны, фотоэлементы для солнечных батарей, гибкие электронные приборы.

Солнечные батареи – устройства, преобразовывающие солнечную энергию в электрический ток, распространены в Европе и Америке, но в России пока не слишком популярны.

Читайте также из рубрики Наука: 

Весточки из прошлого: в Петербурге реставрируют затонувшие 200 лет назад баржи с гранитом

Использования солнечной энергии выгодно и экономически, и экологически: такое оборудование генерирует существенно больше энергии, нежели было затрачено на его изготовление. К примеру, самые распространенные кремниевые солнечные батареи, которые работают в Испании, возвращают потраченную на их изготовление энергию уже в первые два года. При этом срок их службы составляет не менее 20 лет. Еще одно преимущество состоит в полном отсутствии расходных материалов. Солнечным батареям совершенно не нужно топливо для работы. Работают они бесшумно и не нуждаются в постоянном техническом обслуживании и ремонте. И практически не занимают места: солнечные батареи можно устанавливать на крыши домов или фасады зданий.

Большинство мировых производителей специализируются на промышленных энергетических системах. Объясняется это нехваткой основных источников энергии (газ, нефть, уголь), особенно это заметно в Испании, Германии, США, Объединенных Арабских Эмиратах – в странах, где солнечная энергетика развивается стремительными темпами. В Швеции, Финляндии, Италии, Греции и Германии давно используют энергию солнца, сохраняя природные ресурсы и экономя на этом немалые бюджетные средства. В Хельсинки на заводе АВВ солнечная энергосистема мощностью 181 кВт используется для зарядки батареи грузоподъемника, а в Италии солнечные батареи часто обеспечивают электричеством промышленные склады. Лидером по потреблению солнечной энергии является Германия. Там есть целое «пассивное» офисное здание Nzeb, все его инженерные системы работают за счет энергии, генерируемой установленными на крыше солнечными батареями.

В России большая часть существующих солнечных батарей используется на небольших производствах, фермерских хозяйствах и предприятиях, расположенных в отдалении от центральных энергосетей. В 2016 году в Карелии в отдаленных поселках начали устанавливать солнечные батареи. Туда сложно доставить энергию другим способом, и солнечная энергия становится настоящим спасением. Оснащение солнечной энергией домов долгое время планируется в Сочи – в самом теплом регионе страны достаточно солнечного света для того, чтобы одарить бесплатной энергией и соседние регионы.

Использовать солнечные лучи на благо человечества ученые пытаются уже несколько столетий. Первые прототипы солнечных батарей появились в XIX веке. В 1839 году Антуан-Сезар Беккерель представил созданную им химическую батарею, которая под воздействием солнца вырабатывала электричество. Такая батарея имела КПД всего 1%. То есть только один процент солнечного света перерабатывался в электричество. В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил чувствительность селена к свету, а в 1877 году Адамс и Дэй отметили, что селен под воздействием света производит электрический ток. Чарльз Фриттс в 1880 году использовал покрытый золотом селен для производства первого солнечного элемента. В результате экспериментов ученого КПД установок так и не повысился и остался на отметке в 1%. Тем не менее, Фриттс считал свои солнечные элементы революционными и был уверен, что солнечные батареи когда-нибудь заменят существующие электростанции.

Читайте также из рубрики Наука: Российские ученые создали уникальные жидкие кристаллы для улучшения 3D-изображений

После открытия фотоэффекта Альбертом Эйнштейном в 1905 году появились надежды на создание солнечных батарей с более высоким КПД, но значительные увеличения их эффективности произошли только к концу XX века. В 1954 году Гордон Пирсон, Дэррил Чапин и Кэл Фуллер произвели кремниевый солнечный элемент, имеющий КПД 4%. Сейчас максимальный КПД равняется 15%.

Ученые из Национального исследовательского ядерного университета МИФИ надеются увеличить этот результат. Лаборатория нано-биоинженерии МИФИ возглавила совместный российско-японский проект по созданию солнечных батарей нового поколения.

Ученые планируют создать для солнечных батарей новый гибридный наноматериал. Он будет представлять собой лист графена толщиной в один атом с нанесенным на его поверхность слоем квантовых точек. Квантовые точки – это микроскопические элементы, способные излучать свет в узком диапазоне волн с точно регулируемым цветовым значением. При подаче на них напряжения кристаллы излучают свет всегда с четко определенной длиной волны, а значит, и цветовым значением. Данный эффект достигается мизерными размерами квантовой точки, в которой электрон, как и в атоме, способен передвигаться лишь в ограниченном пространстве.

Как и в атоме, электрон квантовой точки может занимать только строго определенные энергетические уровни. Благодаря тому, что эти энергетические уровни зависят в том числе и от материала, появляется возможность целенаправленной настройки оптических свойств квантовых точек. Графен обладает уникальными свойствами, среди которых высокая электропроводность. По предположению исследователей, эта совокупность функциональных свойств квантовых точек и графена приведет к увеличению продуктивности и эффективности работы солнечных батарей. Также, благодаря квантовым точкам, будут устранены так называемые окна прозрачности сбора солнечной энергии, являющихся слабыми сторонами используемых сегодня солнечных батарей на базе кремния и германия.

«Мы проведем научно-исследовательскую работу, которая даст понимание того, как можно увеличить эффективность существующих солнечных батарей. Конечный абсолютный результат проекта – прототип солнечной батареи с более высокой эффективностью, чем существующие», – сказал профессор НИЯУ МИФИ Игорь Набиев.