Мы используем cookie файлы.
Пользуясь сайтом, вы соглашаетесь с нашей Политикой конфиденциальности.

Как выиграть мегагрант и создавать альтернативные солнечные батареи будущего

Среда , 02.09.2020
Теории и практики

Выиграть мегагрант на 90 миллионов рублей и создать собственную лабораторию может показаться недосягаемой мечтой для молодых ученых. Однако Данила Саранин, выпускник МИСиС, доказал, что это вполне возможно. Теперь он занимается разработкой альтернативных солнечных батарей, которые появятся уже в ближайшем будущем. Т&Р поговорили с Данилой Сараниным о стажировке в США, отличии образовательной системы в России и за рубежом, а также о том, чем альтернативные солнечные батареи лучше кремниевых.

Как создавалась лаборатория

Начиная со старших курсов я проходил практику в Институте энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе РАН и единственный из всего потока занимался исследованиями в направлении органических полупроводников. Эта область существенно отличается от классических представлений о технологиях и физике в сравнении с повсеместно используемым кремнием и аналогами. В будущем все микроэлектронные и оптоэлектронные устройства мы сможем печатать на принтере.

После университета я работал инженером на предприятии и занимался полупроводниковой керамикой. Однако производство — это очень строгая цепочка процессов, и любое отклонение от схемы принципиально не приветствуется. На предприятиях, которые занимаются производством изделий двойного назначения (гражданского и военного), было тяжелее реализовать себя как ученого, и я понял, что не смогу развивать свои лучшие качества и амбиции. Это сугубо инженерная работа на маленьком участке без перспективы роста.

Тогда мне поступило предложение из НИТУ «МИСиС», где я вновь начал заниматься разработками органической электроники. Но чтобы заниматься чем-то стоящим и не быть просто молодцом и писать отчеты, нужна сильная и мощная современная лаборатория. К счастью, НИТУ «МИСиС» вступил и начал активно развиваться по программе «5-100» (государственная инициатива, направленная на адаптацию российских университетов к мировым стандартам и вовлечение их в международную образовательную среду). Университет смог реализовать проект с американским ученым Анваром Захидовым.

Я и несколько моих коллег прошли интенсивную стажировку в Университете Техаса в Далласе. Мы вышли на новый уровень разработок по солнечным элементам — собственно, сейчас это мое главное направление. Мы разрабатываем солнечные батареи нового типа.

По приезде мы решили создать свою лабораторию, подали на получение мегагранта уже с итальянским профессором Ди Карло и выиграли 90 млн рублей на 3 года. Благодаря этому мы создали лабораторию по разработке перспективных солнечных батарей. У нас появилась база, инфраструктура и перспективы.

Изначально по этому направлению активно работала группа из 5 человек. Вели эту группу я и мои коллеги. Теперь у нас есть собственное структурное подразделение. В нашей лаборатории работают специалисты по микроэлектронным устройствам, инженеры, которые делают реальные прототипы устройств, и специалисты по новым материалам — материаловеды. Здесь мы реализуем самые интересные, уникальные новые материалы уже в готовых устройствах. Мы не только делаем маленькие лабораторные солнечные элементы, но и прототипы солнечных модулей. Сейчас коллектив составляет 20 человек. Мы отбираем студентов на конкурсной основе. Наши студенты и аспиранты активно участвуют в различных конкурсах. Двое человек выиграли стипендию президента РФ: они будут получать степень как в МИСиС, так и в Италии. Наши разработки отмечены премией правительства Москвы и вышли в финал конкурса «Новатор Москвы». Также задумываемся о коммерциализации наших устройств. Естественно, наш дом — лаборатория. Мы одним глазом смотрим на возможность открытия стартапа на базе университета.

Как работают альтернативные солнечные батареи

Мы привыкли видеть батареи темно-синими (например, на крышах домов или на светофорах). Это стандартная кремниевая технология, которую люди научились делать более полувека назад. Однако она не так рентабельна, как атомная или топливная энергетика. Ее могут позволить себе только такие развитые страны, как, например, Германия и Швейцария. Внедрение альтернативной энергетики — это скорее имиджевое решение, а не экономическое

Атомная энергетика развивается ничуть не лучше, чем 20 лет назад. Лидер по количеству строящихся атомных электростанций — США. У них больше станций, чем у РФ и Китая, вместе взятых.

Можно сделать солнечную энергетику на порядок дешевле. Существует несколько претендентов на то, чтобы стать альтернативной солнечной технологией. Раньше все думали, что это будут элементы на красителях сенсибилизаторов, которые эффективно поглощают свет за счет электрохимических процессов в устройствах. Солнечные элементы можно печатать. Однако их КПД был маленький — 7%, — в то время как у кремниевых элементов, которые мы видим на крышах домов, — более 20%. Никто не будет покупать альтернативные солнечные батареи за одну лишь красоту и экологичность.

В 2000-х начало активно развиваться направление специальных полимерных полупроводников. Они эффективно поглощают свет, их можно печатать на гибкую пластиковую подложку, ими можно закрывать крыши фасадов зданий, однако КПД — 9–11%. Модно, эстетично, экологично, но пока уровень технологий не позволяет ее воспринимать всерьез как конкурентоспособную систему. Учитывая, что вся промышленность сосредоточена в Китае, никто не собирается закрывать заводы только из-за того, что ученые изобрели что-то очень классное. Они будут снижать цены и настаивать на своем. Каждый, кто занимается производством солнечных батарей, уверяет, что их технология самая лучшая.

На практике 90% рынка солнечных батарей — это кремниевая технология. 10% — это солнечные батареи CIGS (селенид меди-индия-галлия, а также кадмий, теллур и другие элементы). Обе технологии могут быть тонкопленочными, то есть солнечные батареи можно сделать гибкими. Главная проблема — они токсичны.

base_ec59a661b0.jpg

В начале 2010-х годов появился новый материал — металлоорганические соединения со структурой перовскита (не путать с минералом — перовскитом). Он очень хорошо поглощает свет любой интенсивности и работает не хуже, чем кремний. Солнечные батареи такого типа можно напечатать, при этом КПД — более 20%. Оценка стоимости перовскитных солнечных батарей, их производство будет более чем в два раза дешевле. Соответственно, можно сделать эффективную и более дешевую солнечную батарею.
У нас очень много энергетических мощностей, которые остались после СССР. Сейчас развивается сегмент альтернативных источников: ветряная, солнечная энергетика. В России есть технология высокоэффективных кремниевых солнечных батарей, производство которой реализует группа компаний «Хевел». Стоит отметить, что в настоящее время только две страны в Европе обладают производственными мощностями по производству кремниевых гетероструктур: Россия и Италия. Пока эти солнечные батареи живут не больше года, а кремниевую солнечную батарею поставил на крышу и забыл на 10–20 лет

Темпы развития сферы перовскитных материалов очень высокие, в течение 10 лет удалось достичь КПД более 20%. В эту сферу начинают приходить деньги не только грантовые и научных проектов, но и бизнеса, а это говорит о том, что в ближайшем будущем перовскитные солнечные элементы попробуют зайти на рынок.

Перовскит хорош тем, что он работает не хуже, чем кремний, но эти солнечные батареи можно напечатать на стекле и на пластике, сделать полупрозрачными. Эти солнечные батареи можно интегрировать в окна, в фасады здания — все это очень дешево. В чем проблема?

По моим прогнозам, мы сможем увидеть альтернативные солнечные батареи на международном рынке примерно через пять лет. Уже есть анонс от британской компании Oxford Photovoltaics о старте продаж в 2021 году. Разработчики создали тандемные солнечные элементы: кремниевые солнечные элементы и перовскитные сверху. Китайская компания GSL с 2021 года продает перовскитные солнечные панели с углеродными электродами. В Польше компания Saule Technologies планирует выпуск печатных солнечных батарей на пластиковых подложках. Активные исследования в данной области ведут техногиганты Samsung и Toshiba.

Главная проблема, которая стоит перед нами сейчас, — это стабильность перовскитных солнечных элементов. Собственно, сейчас мы пытаемся ее решить с помощь подходов, называемых пассивацией: когда мы стабилизируем, изолируем этот перовскитный слой от других и защищаем его. Пока что рекорд по стабильности более года. Скажем так, в рутинной работе, в том числе в нашей лаборатории, уже есть образцы на 1000 часов, это уже неплохо.

Производство перовскитных солнечных батарей требует использования агрессивных химических растворителей, а также материалов, содержащих свинец (правда, в небольших концентрациях). Поэтому даже относительное упрощение технологии с возможностью печати солнечных батарей на принтерах требует строгого контроля и отработанных процедур утилизации.

О сильных и слабых сторонах науки в России

Сейчас государство более заинтересовано в поднятии науки. Еще одна особенность — молодежь знает, зачем она идет в технический университет. Раньше это осознавали далеко не все.

Однако в России много бюрократических преград, которые не позволяют действовать оперативно и эффективно, как в ведущих научных центрах мира. В частности, нам нужно купить новый материал, для этого необходимо собрать десяток подписей, обосновать, доказать. В университетах США ты оставляешь заявку, и послезавтра к тебе приезжает материал.

Вторая проблема — это некоторый разрыв между промышленностью и наукой. Безусловно, в РФ есть пример того, как наука переходит от промышленности в аэрокосмической отрасли к добывающей промышленности. А в высоких технологиях мы видим большой разрыв, потому что большая части предприятий являются субсидированными, они не готовы отдавать большие деньги в науку и внедрять новые технологии.

Я советую студентам искать, исследовать новые возможности для получения грантов, прохождения стажировок за рубежом, участия в лабораториях. Безусловно, необходимо не просто погружаться в науку, но и развивать свои soft skills, в этом хорошо помогают различные университетские движения. Университет — это место, где ты можешь развиваться. Это не школа, где за тобой смотрит учитель. Ты должен понять, к чему у тебя лежит душа, и самостоятельно пройти этот путь

Ни в коем случае не стоит думать, что если вы получили диплом, то не нужно продолжать пробовать, подаваться на новые стажировки, необходимо выигрывать, проваливаться, искать.

Лаборатория
Теги