На завершающую стадию вышел проект по разработке методик измерения эффективности органических солнечных фотоэлементов, созданных с помощью нанотехнологий. Работу ведут специалисты Всероссийского научно-исследовательского института оптико-физических измерений (ФГУП ВНИИОФИ) совместно с исследователями из Международного лазерного центра МГУ им. М.В. Ломоносова, Физического факультета МГУ и Физического института РАН им. П.Н. Лебедева (ФИАН).
Эталонный полимерный солнечный фотоэлемент будет первым в нашей стране.
Более 90% рынка солнечной энергетики сегодня занимают довольно дорогие фотоэлементы на кремнии. Стоимость получаемой с их помощью электроэнергии значительно превышает стоимость энергии из органического сырья. Производство же таких фотоэлементов настолько энергозатратно, что устройство «возместит» использованную на его создание энергию только через несколько лет. Решением может стать применение более дешевых органических солнечных фотоэлементов.
По эффективности, долговечности, возможностям миниатюризации устройств фотоэлементы на традиционных полупроводниках лидируют. Но органический фотоэлемент, который прослужит в пять или даже в десять раз меньше кремниевого, но стоить будет в десять или даже в сто раз меньше, может быть экономически оправданным. Одна из ключевых задач здесь — поиск новых материалов. Они должны обладать полупроводниковыми свойствами и быть технологичными, безопасными и дешевыми.
Рассказывает доцент Физического факультета МГУ доктор физико-математических наук Дмитрий Паращук:
«Удачным решением стало использование нанокомпозита двух полупроводниковых материалов, например, полупроводникового полимера и фуллерена. Растворяем полимер, смешиваем с фуллереном и готовим пленку. Типичная толщина слоя составляет 100 нм, а уровень разделения фаз — десятки нанометров. Фуллереновые сферы должны перекрываться — получается взаимопроникающая сетка двух типов полупроводников. По фуллерену в этой пленке перемещаются электроны, а по полимеру — дырки. И в цепи возникает фототок. Это наиболее эффективное полимерное электронное устройство. В такой композиции эффективность однокаскадного фотоэлемента достигает 4-5%» .
Такой показатель вполне соответствует мировому уровню аналогичных разработок. Это хорошая стартовая точка, чтобы двигаться дальше, увеличивать эффективность и срок службы фотоэлемента. И думать о возможном масштабировании технологий, чтобы переходить от лабораторных образцов к продуктам, близким к тиражированию. Ведь эффективность на уровне 10% станет порогом для масштабной коммерциализации органических солнечных фотоэлементов для применения в энергетике, что составит реальную конкуренцию кремниевым элементам. Сейчас ФИАН и МГУ планируют совместный проект — НИОКР по полимерным солнечным фотоэлементам.
Если лабораторная технология изготовления солнечных полимерно-фуллереновых фотоэлементов на основе известных материалов уже отработана, то ситуация с новыми материалами гораздо сложней. Зачастую при улучшении одного параметра вещества ухудшаются другие. Например, при исследовании новых производных фуллерена, удалось добиться увеличения напряжения, но общая эффективность фотоэлемента стала ниже.
«Что ограничивает эффективность такого рода устройств? Мы, как научная группа, прежде всего нацелены на фундаментальные вопросы. Многие процессы еще непонятны на фундаментальном уровне, многие находки — эмпирические. Система очень сложная. Огромное количество факторов, каждый из которых может все испортить. Только хорошее фундаментальное понимание составит базу для ориентированных прикладных исследований», — говорит Дмитрий Паращук.
Когда эффективность органических фотоэлементов достигает 5% и речь в принципе заходит о коммерциализации, возникает вопрос о точности и сопоставимости оценок этой эффективности. Ведь процедура измерений эффективности фотоэлемента представляет самостоятельную техническую задачу. Эти измерения отличаются целым рядом особенностей и тонкостей, которые необходимо строго соблюдать (требования по температуре фотоэлемента, по площади, по методике измерений и т. д.). В России за выработку стандартов в области оптических измерений отвечает Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений (ФГУП ВНИИОФИ). Это ведущий центр страны по созданию государственной системы обеспечения единства измерений в фотометрии и радиометрии оптического излучения. Сейчас на завершающей стадии находится совместный с ВНИИОФИ проект, цель которого — создание метрологического комплекса и нормативно-методической базы для обеспечения единства измерений характеристик солнечных фотоэлементов, разработанных с использованием нанотехнологий. В задачу разработчиков входит изготовление эталонного фотоэлемента такого типа. Эффективность его будет точно измерена и зафиксирована, а образец — внесен в государственный реестр.
Закапсулированная пластинка размерами 25 х 25 мм — так будет выглядеть первый в России эталон полимерного солнечного фотоэлемента.
АНИ «ФИАН-информ»
