ИСТИНА

В настоящее время в мире происходит бурный рост солнечной энергетики, так ежегодный прирост мирового рынка в области солнечных батарей составляет 30–50% в течение последних лет. Полагают, что преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью прямого фотоэлектрического преобразования в соответствующих полупроводниковых материалах представляется наиболее эффективным и экономически оправданным. Все известные солнечные батареи можно разделить на три класса: неорганические, органические и гибридные (органо-неорганические). Наиболее распространенными и коммерчески применяемыми на текущий момент являются неорганические солнечные батареи на основе моно- и поликристаллического кремния. Такие солнечные батареи обладают достаточно высокой эффективностью преобразования солнечной энергии (коммерческие модули около 12-14% и лабораторные образцы около 25%) и ресурсом (десятки лет), а основным их недостатком является высокая стоимость, что во многом связано с высокой ценой на «солнечный кремний». Высокая цена на солнечный кремний связана с особенностями технологий, требующих многих этапов, высоких температур и вакуума. Все это делает неорганические солнечные батареи дорогими, а производимая ими энергия неконкурентоспособна по сравнению с традиционными источниками электроэнергии, такими как уголь, природный газ, гидроэлектроэнергия и др. В последнее десятилетие особое внимание уделяется особому типу солнечных батарей, так называемым ячейкам Гретцеля, где в качестве основного фотогальванического материала используются различные красители – в основном комплексы таких переходных металлов, как кобальт и рутений. Эти материалы позволяют создавать механически прочные и при этом гибкие изделия, однако эффективность, с которой они преобразуют солнечную энергию в электричество, ранее была невелика (не более 10%). Поэтому интенсивные исследования в настоящее время направлены на поиски новых неорганических соединений, способных заменить красители в ячейках Гретцеля. Эти исследования привели к нахождению уникального семейства гибридных и неорганических соединений со структурой перовскита, где основной структурной единицей служит октаэдр из атомов галогена с атомом свинца или олова в центре. Некоторые неорганические и небольшие органические катионы, такие как цезий или метиламмоний, способны стабилизировать эти структуры, а их электронное строение позволяет образовываться экситонам под действием солнечного света. Так, соединения со структурой перовскита CsSnI3 и CH3NH3PbI3, которые стали объектами исследований лишь в 2009 году, уже сегодня демонстрируют увеличение эффективности с 3 до 20% к 2015 году. Несмотря на очевидную перспективность этих материалов, некоторые ключевые аспекты их химии и физики остаются неисследованными, что препятствует их немедленному внедрению в технологию производства солнечных элементов, в то же время, именно этот тип солнечных батарей в настоящее время считается наиболее перспективным и определяет высокую актуальность заявленной темы. Одной из нерешенных проблем является масштабирование. Несмотря на то, что эффективность (КПД) лучших лабораторных образцов солнечных ячеек на гибридных перовскитных галогенидах в настоящий момент достигает уже 20% на площади около 1 кв.см, при масштабировании и переходе на большие площади КПД значительно снижается. Задача увеличение площади солнечных ячеек на гибридных перовскитных галогенидах ставит ряд новых задач по разработке адекватных технологий нанесения активных и вспомогательных (блокирующие, электродные и др.) слоев, совместимых с крупномасштабными технологиями производства солнечных ячеек. Поэтому в проекте поставлена задача разработки технологий получения солнечных ячеек на гибридных перовскитных галогенидах, которые обеспечивали эффективность не менее 16% для свинецсодержащих ячеек и были совместимы с масштабными (печатными, струйными и др.) промышленными жидкофазными технологиями нанесения тонких слоев больших площадей, что планируется исследовать в рамках настоящего проекта. Другая проблема заключается в токсичности и биологической доступности свинца, входящего в состав указанных гибридных и неорганических перовскитах, что связано как с собственно токсичностью свинца, так и с легкой растворимостью свинецсодержащих галогенидных перовскитов в воде. Эта проблема требует проведения исследований в двух направлениях. С одной стороны, разработка технологий создания солнечных элементов, защищенных от попадания влажного воздуха и вымывания свинецсодержащих рабочих материалов, может оказаться эффективным решением при условии обеспечения надежности и относительной дешевизны технологических подходов. С другой стороны, поиск новых соединений, обладающих структурой перовскита или другой полимерной кристаллической структурой, поддающихся несложному процессингу и не содержащих свинец и другие токсичные элементы, является пока не решенной высоко актуальной задачей. В рамках проекта предусмотрены также получение и комплексные фундаментальные исследования всей гаммы материалов для данного типа солнечных элементов, а также получение перспективных прототипов и оценка возможности их коммерциализации в Российской Федерации и на международном уровне в сотрудничестве с ведущим зарубежным партнером – проф. М.Гретцелем, являющимся не только общепризнанным в мире разработчиком указанных солнечных батарей, носящих его имя, но также, в настоящий момент, имеющим подходы по их коммерческому внедрению.

Целью данного проекта является разработка материалов и подходов для создания солнечных ячеек на гибридных перовскитных галогенидах с эффективностью не ниже 22% для свинец-содержащих ячеек и 12% для ячеек, не содержащих свинец. В рамках проекта предусмотрены получение, комплексные фундаментальные исследования всей гаммы материалов для данного типа солнечных элементов, а также получение перспективных прототипов и оценка возможности их коммерциализации в Российской Федерации и на международном уровне в сотрудничестве с ведущим зарубежным партнером проекта – профессором М.Гретцелем.