Одна из главных проблем солнечной энергетики

Одна из главных проблем солнечной энергетики — неустойчивость генерации, вызванная существованием ночи. Часто как выход из ситуации рассматривают наработку гелиоэлектростанциями водорода днём и его дальнейшее использование ночью. Вот только стандартные 15% солнечной энергии, улавливаемые обычным фотоэлементом, превращаются тогда в 10,5%: остальное теряется при гидролизе, продуцирующем водород.

Можно ли обойтись без промежуточного гидролизного звена? В принципе, чтобы разложить воду, достаточно электронов. А они напрямую генерируются в кремниевых фотоэлементах солнечными лучами. Но чтобы потерять электрон, кремнию нужно всего 1,1 эВ, а разложение воды на кислород и водород начинается при энергии электронов в 1,23 эВ. Как сказал один мудрый муравей, глядя на рельс, умный гору обойдёт. И действительно, специалисты из Университета штата в Боулинг-Грине (США) нашли способ решить проблему при помощи комбинирования селенида цинка и кристаллов сульфида кадмия, которым помогал платиновый катализатор. Когда солнечный свет воздействовал на комбинацию этих веществ, они освобождали электроны как раз с нужной энергией. Как можно догадаться из названий металлов, решение получилось золотым.

Поэтому Клаус Хелльгардт (Klaus Hellgardt) из Имперского колледжа Лондона (Великобритания) обратился к оксиду железа, в быту известному как ржавчина. Его электроны освобождаются при энергиях в 2,1 эВ — более чем достаточно для гидролиза воды под действием света. Кроме того, он малотоксичен, его производство неэнергозатратно (ржавчина образуется без наших усилий), он дёшев как грязь. Вас интересует его долговечность? Но, по современным данным, ржавчина стабильна как минимум на протяжении нескольких лет, да и потом вряд ли заржавеет. КПД? Недавнее исследование показало, что теоретический предел такого материал по эффективности превращения солнечного излучения в электричество составляет 16,8%. Для кремния тот же показатель равен 33% (хотя на практике едва достижимы даже 20%). В общем, меньшая эффективность ржавчины может окупиться простотой её получения и общей низкой ценой. Проблемой остаётся плохая электропроводность, мешающая ржавчине передавать электроны вовне; именно поэтому её не используют в нынешней гелиоэнергетике, хотя способности оксида железа быть фотоэлементом замечены ещё в 1975 году. Кевин Сивула из Швейцарской политехнической школы в Лозанне нашёл выход. Он применяет ржавчину, напыляемую в виде небольших нанобляшек, по форме напоминающих цветную капусту и образующих «нанолес», свободно отдающий электроны воде. Пока КПД таких солнечных батарей, не использующих никакого материала дороже стекла, равен всего 3,6%. Однако г-н Сивула утверждает, что всего через пару лет доведёт его до 10%, что сравнимо с дорогими кремниевыми образцами.

Но и у этого многообещающего подхода есть сложности. Слишком тонкий — и хорошо проводящий — слой ржавчины будет поглощать меньше солнечного света, чем толстый, а если ржавчину в фотоэлементе утолщить, то резко упадёт её проводимость. Авнер Ротшильд и его группа в Технионе (Израиль) попытались преодолеть это препятствие при помощи искусственного удержания солнечного света внутри фотоэлемента. Их устройство ловит входящий свет в 30-нанометровой плёнке из ржавчины. При входе в соответствующую камеру свет многократно переотражается от системы зеркал V-образной формы. Уже сейчас КПД такой экспериментальной установки равен 4,9%, и электроны благодаря малой толщине плёнки свободно участвуют в гидролизе:

Конечно, пока рано провозглашать «век ржавчины в солнечной энергетике». Но если удастся довести эффективность таких фотоэлементов до 10%, ситуация существенно изменится. Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Materials.