Аспірант вузу виграв конкурс «Роснано» за розробку «змиваються» сонячних батарей

Сонячні батареї - «зелений», але разом з тим дорогою і малоефективний спосіб отримання електрики. Виробляти фотоелементи дуже затратно, і якщо це зміниться, то навіть низький ККД не стане перешкодою для використання цього альтернативного джерела енергії. Аспірант Університету ИТМО розробляє необхідні для цього методики з використанням перовскита і лазерної абляції. За рішення задачі по застосуванню технології лазерного напилення для виробництва сонячних батарей на основі перовскитів він став переможцем конкурсу технологічних проектів «Роснано», організованого Фондом інфраструктурних та освітніх програм , І в якості призу відвідав найбільший технологічний центр Європи в Бельгії. Про своїх розробках і особливості спін-оффов в бельгійському вузі він розповів порталу ITMO.N EWS.

У чому мінуси сонячних батарей?

При відносно низькому ККД (близько 20-25%), їх виробництво коштує дуже дорого через те, що кремній доводиться вирощувати в лабораторіях. Крім того, такі батареї досить швидко виходять з ладу. Сьогодні вчені по всьому світу працюють над новим типом сонячних батарей, в яких замість кремнію буде використовуватися гібридний перовскит (органо-неорганічний матеріал). Він також є напівпровідником, однак може поглинати більше сонячного світла, а робити з нього пластини батареї легко і дешево. Справа в тому, що перовскит можна наносити практично на будь-яку поверхню і набагато більш тонким шаром, ніж кремній. Наприклад, кремній товщиною приблизно 180 мікрон поглинає стільки ж світла, скільки і перовскит товщиною в 1 мікрон. Перспективні властивості цієї речовини будуть вивчатися в новій лабораторії Університету ИТМО .

Для того щоб створювати для сонячних перовскітним батарей проводять контакти, ефективно використовувати імпульсний лазерне осадження. Це метод перенесення речовини з поверхні лазерним імпульсом, яке також називається лазерної абляцией. Під час цього процесу лазерний імпульс б'є по мішені, і звідти випаровується речовина. За допомогою методу можна наносити проводять контакти, а також брати в облогу наночастинки. Завдяки цьому дослідники також можуть створювати масиви різних нанофотонних структур на основі перовскитів з додатковими функціями, які забезпечуються наночастинками.

Сонячні батареї. Джерело: depositphotos.com

Однак зараз ці два процеси - нанесення перовскита і контактів на сонячну батарею - рознесені в просторі і часі. Спочатку вчені роблять перше на одному обладнанні, а потім друге - на іншому. Аспірант Університету ИТМО Михайло Омелянович запропонував розробити новий апарат, в якому процеси нанесення перовскита і друк контактів будуть суміщені. За його словами, ця ідея лежала на поверхні, але поки її ніхто не використовував.

Але це не єдина задумка молодого вченого. Він також хоче розмістити обидва проводять контакту ззаду перовскітним шару. Справа в тому, що верхні контакти розміщують прямо над батареєю, отже, вони перекривають якусь частину поглинає речовини, що зменшує ККД фотоелемента. Також перовскітним сонячні елементи в товщину більше мікрона, що створює проблему замикання контактів і ускладнює їх масштабування. Крім того, при розміщенні контактів ззаду і використанні перовскита можливий і інший корисний ефект. При виході батареї з ладу шар напівпровідника і інших активних елементів можна буде «стерти» і замінити на новий, залишивши працюють контакти недоторканими.

Михайло Омелянович

«Тут робиться акцент не на довговічності або 100% -ої ефективності сонячної батареї, а на тому, щоб її можна було легко і дешево замінити при поломці. А якщо вдасться створити батареї без свинцю, то такий спосіб роботи з ними буде ще і екологічно безпечним. Крім того, теоретично можливо використовувати такий матеріал, який можна буде просто змивати з провідних контактів, а потім знову розпорошувати. Але хоча вже існують технології, щоб створити таку сонячну батарею, є інжинірингова проблема. Як поєднати ці технології для того, щоб батарея була дешевою і ефективною? Які матеріали необхідно використовувати, щоб розроблена в лабораторії батарея була цікава компаніям-виробникам? »- прокоментував Михайло Омелянович.

Наприклад, одне з питань: який метал використовувати для провідного контакту? Якщо брати мідь, то буде швидко утворюватися оксид, а працювати з золотом занадто дорого і клопітно для масового виробництва. Також вчені експериментують зі структурою перовскіту, щоб підвищити його ККД. У деяких випадках вдається досягати ефективності в 20%, але в цих сумішах можуть бути присутніми токсичні речовини, з якими також не працюватиме жоден бізнесмен. В інших ситуаціях дослідникам вдається зробити екологічно чистий і високоефективний фотоелемент, але для цього необхідно використовувати будь-якої дорогою метод лазерної друку. Цим теж не візьмеш ринок: використовувати дороге обладнання на виробництві просто невигідно. Тому часто вчені створюють будь-які зразки фотоелементів в лабораторіях, але розробки так і залишаються в стінах наукових інститутів.

Аспірант Університету ИТМО намагається створити таку перовскітним сонячну батарею, якою можна зацікавити інвесторів. Зараз він веде досвідчені роботи, щоб методом проб і помилок знайти «золотий» метод створення перовскітним фотоелемента з заднім контактом і з використанням лазерної абляції. З цією ідеєю молодий вчений виступив на Всеросійському інженерному конкурсі в області нанотехнологій для студентів і аспірантів, який проводився в «Роснано». Одне з головних умов конкурсу полягала в тому, щоб представлені проекти мали високий потенціал комерціалізації. Також конкурс проводився задля пошуку ідей для реалізації наноцентрів «Техноспарк», який зараз формується в Москві. Переможці відвідали найбільший інноваційний центр Європи - університет KU Leuven в Бельгії. Крім аспіранта Університету ИТМО, в Бельгію вирушили також по одному вченому з Казанського національного дослідницького університету і Томського державного університету.

Переможці Всеукраїнського інженерного конкурсу в області нанотехнологій для студентів і аспірантів в Університеті KU Leuven. Джерело: rusnano.com

Там російські дослідники ознайомилися з тим, як в Європі розвивають високотехнологічні компанії. Льовенський католицькому університету вже майже 600 років, і зараз це один з провідних технологічних кластерів в світі. За час існування наукового інституту на його базі було створено близько 130 спін-офф-компаній. Переможці конкурсу «Роснано» побували в центрі нанотехнологій університету, на факультетах біотехнології, хімії, композитних матеріалів і адитивних технологій.

«Перевага KU Leuven в тому, що вони об'єднали вчених в галузі хімії, біології та нанотехнологій в одній будівлі. Завдяки цьому всі експерименти проводяться в одному місці, вчені можуть спілкуватися між собою, ділитися ідеями, і з цих обговорень з'являються відкриття світового масштабу. Крім того, там дуже грамотно організовуються спін-оффи. Ці компанії працюють на замовлення університету і для потреб університету. Завдяки цьому вуз може вимагати саме ту якість продукції компанії, яке йому потрібно. І у компанії просто немає іншого вибору, крім як удосконалювати свою продукцію до потрібних показників. Також співробітники компанії можуть відразу тестувати свої розробки в вузі. Таким чином, весь цикл робіт зі створення будь-якого інноваційного продукту відбувається в університеті. І коли з'являється зовнішній покупець, KU Leuven може надати повний звіт про властивості цього продукту, продемонструвати, як він працює. Крім того, в вузі постійно ведуться дослідження тих матеріалів, які вони замовляють із зовнішніх джерел », - розповів учасник поїздки з Університету ИТМО. Він додав, що у першого некласичного вузу є всі необхідні ресурси, щоб створити такий же високотехнологічний кластер, як і в бельгійському місті.

На замітку: як працюють кремнієві сонячні батареї?

Перетворення сонячної енергії в електричну відбувається в підключених один до одного фотоелементах. Вони створюються на основі різних речовин в залежності від цілей, але найпоширенішим є кремній. У лабораторіях вирощують гігантські кремнієві кристали, потім розрізають їх на тонкі пластини. З одного боку на них наносять шар фосфору, а з іншого - бору. В результаті на кордонах контакту кремнію з цими речовинами виникають пари «електрон-дірка», тобто з одного боку пластини електрони перебувають в надлишку, а з іншого - в нестачі. Фотони світла бомбардують поверхню пластини і вибивають надлишкові електрони фосфору до якої бракує електронам бору. З'являється електричний струм, тобто впорядкований рух електронів. Цей струм «збирають» за допомогою спеціальних металевих контактів-доріжок, які розташовуються уздовж фотоелементів.