Авторизуйтесь с помощью одного из аккаунтов
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
#наука#солнечныебатареи#изобретения#энергетика

Пикачу в МИСиС. Учёные на покемонах объяснили устройство новых солнечных панелей

Они хоть и монстры (в смысле покемоны), но всё-таки карманные, то есть уже не так страшно. А то от слов "максены" и "перовскит" как-то, прямо скажем, не по себе простому смертному, который без высшего технического образования. Инженеры самоотверженно взялись наглядно объяснить читателям Лайфа, как тончайшая плёнка будет вырабатывать электричество из солнца.

Post cover

Вот что получится, если Пикачу натренирует серьёзный исследователь. В общем, так. Перед нами — писк моды в солнечной энергетике. Дай бог, не последний. Вместо тяжёлых, дорогих и сложных в производстве панелей, которые мы знаем, — практически ничего не весящий и (как обещают) куда меньше стоящий шедевр нанотехнологий, который мы не знаем. Сейчас узнаем. Покэтто монсута готов к бою.

Графика представлена НИТУ "МИСиС"

Для победы нам сначала нужна хоть какая-нибудь "подложка". Стекло, например, или металл, или пластик. Потому что, если наносить вот это всё на пустое место, ему совершенно не на чем будет держаться — это очень и очень тонкая вещь. В сотни раз тоньше человеческого волоса. То есть если этим покрыть какой-нибудь гнущийся в разные стороны материал, то получим солнечную батарею, которую легко свернуть в рулон и положить в тубус или закинуть в багажник.

Из чего же, из чего же, из чего же...

Перовскит — это ничего страшного, это просто такое очень занятное вещество. И название его не какое-нибудь там заморское, а самое что ни на есть наше, отечественное. Дело в том, что был такой при Николае I министр внутренних дел — граф Лев Алексеевич Перовский. Государственный муж, умнейший человек и коллекционер минералов. Между прочим, внебрачный сын графа Разумовского, фаворита Елизаветы Петровны. И вот однажды, а именно в 1839 году, нашли на Урале новую (в смысле до тех пор невиданную) горную породу. Причём нашёл немецкий геолог Густав Розе, но назвали в честь его сиятельства.

Не знаем, как насчёт почтенного Льва Алексеевича, но вот слово "перовскит" теперь точно знают во всём мире. Физики в последнее время очень сильно им интересуются. До такой степени, что в 2013 году журнал Science объявил вещество прорывом года как очень полезное в смысле солнечной энергетики. Правда, не совсем именно это вещество, а вообще любые соединения с такой же структурой. Потому что структура очень необычная.

Фото © Wikipedia

С точки зрения химии это хитрое соединение титана с кальцием и кислородом. Зелёный шарик посередине — атом кальция. Жёлтые — титан. Как видите, выстроились в форме аккуратного кубика. И вокруг каждого угла — практически идеальные восьмигранники из атомов кислорода.

Чем хороша вся эта конструкция? А тем, что тут болтается очень много электронов. А чего им просто так болтаться? Пусть пользу приносят. Сейчас мы их с вами быстренько "сдуем" потоком солнечного света и направим куда надо, чтобы получился электрический ток.

Причём необязательно брать строго эту формулу. Как выяснилось, такую композицию можно соорудить и из других материалов. Например, вместо кальция по центру поставить метиламин — это такое органическое вещество, похожее на аммиак. И пахнет так же. Но один атом, так и быть, потерпим. По углам вокруг вместо титана расставим свинец. Тоже, кстати, особо сильной симпатии не вызывает, но вот инженеры в НИТУ "МИСиС" уверяют, что ничего страшного абсолютно. А вот октаэдры у нас будут из йода.

Есть ряд исследований, которые показывают, что то количество свинца, которое используется для создания перовскитных слоёв для солнечных элементов, не так критично, разработка методов утилизации не представляет опасности для окружающей среды

Данила Саранин, разработчик, инженер НИТУ "МИСиС"

Вот такой рецепт взяли за основу в НИТУ "МИСиС" и придумали, как его улучшить: добавили особый секретный ингредиент — карбид титана. Функционализированный, что в переводе на русский — улучшенный. Очень полезное вещество. Вот он и есть "максен" — от зарубежного MXene, это общая формула для всех подобных материалов: М — означает переходный металл (тот же титан, или цирконий, или хром), а Х — углерод либо азот. Казалось бы, мелочь, но за счёт такой добавочки всех этих бездельников-электронов гораздо легче наставить на путь истинный. А на практике это означает, что днём совсем не нужно палящее солнце Сахары, чтобы вечером в доме горел свет.

При низкой интенсивности света перовскитная солнечная панель работает лучше, чем кремниевая. Естественно, мощность падает, но если сравнивать КПД, то при рассеянном свете перовскитная панель работает даже лучше, чем при солнце. КПД растёт до 30%

Данила Саранин, разработчик, инженер НИТУ "МИСиС"

Фото © ТАСС / Владимир Гердо

Так вот. Берём подставку и на ней готовим химическую сэндвич-панель. Кладём сперва прозрачный электрод, например из органического вещества. Сверху — оксид титана (сейчас объясним), потом сам перовскит. Далее опять органика, потом слой меди или алюминия (он служит вторым электродом) и наконец защитное покрытие. Каждый из этих слоёв толщиной в одну или несколько молекул.

Эти слои можно напечатать либо струйной печатью, либо слот-матричной, это всё доступные методы

Данила Саранин, разработчик, инженер НИТУ "МИСиС"

Что там происходит

Светит солнце. Как объясняет — опять же для наглядности — Данила Саранин, фотоны дают электронам в перовските хорошего пинка. Благодаря карбиду титана — исключительно хорошего, от души. Там, откуда выгнали электрон, остаётся пустое место. Инженеры так и говорят — "дырка". И, если ничего не предпринять, тунеядцы-частицы моментально вернутся обратно к своему праздному образу жизни. Но мы же об этом позаботились. У нас же есть вышеупомянутые оксиды и электроды, обратите внимание — с обеих сторон. Лодыри в ловушке! Снизу ловят их, а наверх забирают осиротевшие "дырявые" атомы — ионы. Урожай электронов увозится на погрузку в электрод, а оттуда прямиком в сторону аккумулятора.

Берём?

Очень хочется этим делом крышу покрыть. Во-первых, как говорится, свой свет, надоело платить коммунальщикам, посредникам, посредникам между посредниками и неизвестно кому ещё и прочее. Да и эффектно. Хотя, конечно, климат не позволяет. То дождь, то снег. Потратишь кучу денег, намучаешься чистить такую крышу, а электричества будет сколько?

Давайте считать

Имеем, к примеру, дом. Небольшой. Одиннадцать на шесть метров. И вот у него крыша общей площадью 132 метра. Наклонная. Установщики солнечных панелей говорят, что в идеале наклон должен быть градусов 30–60, но если не меньше 15 и не больше 90, то тоже можно.

Фото © ТАСС / Максим Коротченко

Теперь милости просим внутрь, устраиваемся поудобнее и включаем компьютер. Сейчас будем батареи выбирать. На сегодняшний день в продаже имеются сплошь кремниевые. С поликристаллическим кремнием подешевле и вырабатывают меньше, а монокристаллы, как вы понимаете, лучше и дороже. Вот горячо предлагают какой-то супермегамонокристалл, панель размерами один метр 64 сантиметра на 99 сантиметров. КПД обещают 21% и при этом выделяют эту цифру красным цветом. Мол, круто. Мощность 300 ватт, напряжение 24 вольта и рабочий ток 9,56 ампера. И стоит всё это в районе десяти тысяч рублей.

Стало быть, на нашу крышу понадобится 800 тысяч рублей, или около 80 панелей. Плюс тысяч 30 (а может быть, и больше) на инвертор, он будет преобразовывать напряжение 24 вольта в 220 вольт. И сверху кладём ещё примерно 30 тысяч — нам понадобится восемь аккумуляторов на 100 ампер каждый. Они будут накапливать кровно заработанное под солнцем электричество, чтобы ночью тоже свет включать можно было.

То есть за такие деньги можно в качестве бонуса потребовать бубен, чтобы шаманить хорошую погоду.

Итак, допустим, ярко солнце светит, щебечет воробей. И что же имеем при этом? Умные люди подсказывают, что при этом мы, собственно, имеем с каждой панели в идеале 300 ватт в час, то есть с 80 штук — 24 киловатта. Казалось бы, жить можно. Днём. Но это, опять же, если нанять штатного шамана или перевезти дом в Чили. А если в деревне Гадюкино дожди, то будет дай бог два-три киловатта в час.

А у нас с вами в доме примерно два киловатта может в любой момент понадобиться стиральной машине, ещё киловатт — телевизору и компьютеру, 0,04 киловатта ежечасно съедает холодильник, электроплита часик поработала (скажем, две конфорки) — четыре киловатта как не бывало. Если включаем чайник, скажем, три раза в день, надо иметь в запасе 0,5 киловатта. Утюг: час гладим — два киловатта до свидания. Лампочки горят, пусть светодиодные, — пять штук одновременно за час поглощают где-нибудь 0,04 киловатта. Если волшебные "энергосберегающие" (те, которые скручены в спирали) — то 0,1 киловатта. В общем, как-то не очень получается почувствовать себя самодостаточным и независимым. Не говоря уже о том, чтобы что-нибудь накопить на ночь.

Полное энергообеспечение от солнечных панелей на крышах в домах, где нужно обеспечить отопление и обогрев воды, пока невозможно

Данила Саранин, разработчик, инженер НИТУ "МИСиС"

Работают кремниевые батареи так же, как и перовскитные, — кремний зажат между двумя фильтрами, которые забирают всё, что им надо. И КПД у них теперь примерно одинаковый — 20–25%. То есть электричества будет столько же.

Графика предоставлена НИТУ "МИСиС"

Чем же перовскит лучше

Во-первых, его дешевле производить — не нужно ничего нагревать до +600 или даже +1000 градусов, как для кремния. Максимум +100–150. А во-вторых (и самое главное), — он (перовскит), собственно, и стоить будет дешевле.

Если взять "средние цифры по больнице", то современная солнечная панель стоит примерно $40 за квадратный метр. Перовскитная солнечная панель с КПД порядка 20% будет стоить примерно $20 и меньше за квадрат

Данила Саранин, разработчик, инженер НИТУ "МИСиС"

То есть на нашу крышу уйдёт уже не 800, а 400 тысяч рублей. Оно, конечно, гораздо веселее, кто спорит. Но это если не учитывать один интересный нюанс — срок службы. А у перовскитных батарей он составляет, как ни прискорбно, чуть более года. Против 20 лет жизни кремния. 400 тысяч на год? Очень смешно.

Но инженеры призывают прекратить обывательские разговорчики и оставить крышу в покое до лучших времён, а для начала попробовать подключить новые панели к каким-нибудь датчикам, которые тоже "живут" не более года. Например, в офисах. Потому что большинство россиян — всё-таки люди цивилизованные и трудятся при свете дня. А там, глядишь, ещё что-нибудь придумают насчёт цен и долговечности. Потому что покемоны покемонами, но пока не слишком солнечная перспектива.

Адель Романенкова

Выбор редакции

Комментариев: 0

avatar
Для комментирования авторизуйтесь!
Loading...
закрыть