Ультратонкие органические солнечные элементы могут превратить здания в генераторы энергии

В ноябре 2021 года, когда муниципальное коммунальное предприятие в Марбурге, Германия, проводило плановое техническое обслуживание хранилища горячей воды, инженеры приклеили 18 солнечных панелей к внешней стороне основного цилиндрического резервуара высотой 10 метров. Это не типичный дом для солнечных батарей, большинство из которых представляют собой плоские, жесткие прямоугольники из кремния и стекла, расположенные на крышах домов или в солнечных парках. Панели объекта в Марбурге, напротив, представляют собой ультратонкие органические пленки, изготовленные Heliatek, немецкой солнечной компанией. За последние несколько лет компания Heliatek установила свои гибкие панели на боках офисных башен, изогнутых крышах автобусных остановок и даже на цилиндрической шахте ветряной мельницы высотой 80 метров. Цель: расширить сферу применения солнечной энергии за пределы равнинной местности. «Существует огромный рынок, на котором классическая фотоэлектрическая энергия не работает», — говорит Ян Бирнсток, технический директор Heliatek.

Органические фотоэлектрические панели (OPV), такие как Heliatek, более чем в 10 раз легче кремниевых панелей, а в некоторых случаях их производство обходится вдвое дешевле. Некоторые из них даже прозрачны, поэтому архитекторы предполагают, что солнечные панели будут установлены не только на крышах, но и вмонтированы в фасады зданий, окна и даже внутренние помещения. «Мы хотим превратить каждое здание в здание, производящее электроэнергию», — говорит Бирнсток.

Панели Heliatek являются одними из немногих OPV, используемых на практике, и они преобразуют около 9% энергии солнечного света в электричество. Но в последние годы исследователи по всему миру разработали новые материалы и конструкции, которые в небольших лабораторных прототипах достигли эффективности почти 20%, приближаясь к кремнию и альтернативным неорганическим тонкопленочным солнечным элементам, например, изготовленным из смесь меди, индия, галлия и селена (CIGS). В отличие от кристаллов кремния и CIGS, где исследователи в основном ограничены несколькими химическими вариантами, которые дает им природа, OPV позволяют им изменять связи, переставлять атомы и смешивать элементы со всей таблицы Менделеева. Эти изменения представляют собой ручки, которые химики могут регулировать, чтобы улучшить способность своих материалов поглощать солнечный свет, проводить заряды и противостоять разложению. ОПВ по-прежнему не справляются с этими мерами. Но «существует огромное пространство для исследований», — говорит Стивен Форрест, химик OPV из Мичиганского университета в Анн-Арборе.

Даже когда изготовленные в лаборатории OPV выглядят многообещающе, масштабирование их для создания полноразмерных панелей остается сложной задачей, но потенциал огромен. «Сейчас действительно захватывающее время для OPV, потому что в этой области произошел огромный скачок в производительности, стабильности и стоимости», — говорит Брайон Ларсон, эксперт по OPV из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии.

ОБЫЧНАЯ СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ – в основном на основе кремния – уже является успешным примером экологически чистой энергетики, обеспечивая примерно 3% всей электроэнергии на планете. Это крупнейший новый источник электроэнергии, добавляемый в сеть: ежегодно в сеть поступает более 200 гигаватт, чего достаточно для питания 150 миллионов домов. Благодаря десятилетиям технических усовершенствований и глобальной цепочке поставок его цена продолжает падать.

Но солнечная и другие экологически чистые источники энергии растут недостаточно быстро, чтобы удовлетворить растущий спрос и предотвратить катастрофическое изменение климата. В период глобального экономического развития, роста населения и ожидаемого перехода большинства легковых и грузовых автомобилей в мире с нефти на электричество ожидается, что к 2050 году мировой спрос на электроэнергию удвоится. Согласно последним оценкам Международного энергетического агентства, Чтобы достичь глобальных чистых нулевых выбросов углерода к 2050 году, страны должны устанавливать возобновляемые источники энергии в четыре раза быстрее, чем сейчас, и эту задачу агентство называет «огромной». Миру нужны новые источники возобновляемой энергии, и как можно скорее.

Сторонники OPV не считают, что эта технология заменит традиционные кремниевые панели в большинстве случаев. Скорее, они видят, что это поможет открыть волну новых приложений и, в конечном итоге, установить солнечную энергию там, где кремниевые панели не будут работать. Эта область получила свое начало в 1986 году, когда специалисты по пластиковой пленке из компании Eastman Kodak выпустили первый OPV, эффективность которого при преобразовании энергии солнечного света в электричество составляла всего 1%. Но к началу 2000-х годов эффективность ОПВ выросла примерно до 5%, чего было достаточно для того, чтобы несколько компаний попытались коммерциализировать их. Они надеялись, что печатные панели на рулонных машинах, таких как газетные печатные машины, сделают устройства достаточно дешевыми, чтобы их можно было использовать, несмотря на их недостатки. Но низкая эффективность и деградация под непрекращающимся солнечным светом обрекли первые модели на провал. «Воодушевление было, но было слишком рано», — говорит Ларсон.