Возобновляемая энергетика «ждет» новых материалов

Одно из направлений, в котором востребованы нанотехнологии, — это нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. К ним относятся технологии, связанные с повышением эффективности солнечных батарей, производства водородного топлива и использования экзотических видов энергии, таких как «голубая энергия» — осмотическая энергия, которая выделяется при смешивании двух растворов разной солености. Сюда еще можно добавить преобразователи энергии, в основе которых лежит искусственный фотосинтез.

Мы здесь не будем касаться того огромного перечня наноматериалов, которые используются в качестве добавок для производства различных конструктивных элементов.

Генерирующие свойства существующих преобразователей солнечной энергии в настоящее время подходят к своему теоретическому максимуму. Эти ограничения связаны с физическими ограничениями материалов, из которых они состоят. Поэтому дальнейшее повышение эффективности преобразования энергии Солнца в другие виды энергии — химическую, электрическую — связано с поиском новых материалов и разработкой устройств на их основе.

Широко использующиеся в настоящее время солнечные батареи способны преобразовывать только часть спектра излучения. Поэтому один из путей повышения КПД преобразователей связан с расширением их рабочего спектрального диапазона.

Здесь на помощь приходят перовскитовые солнечные элементы. Хотя их производительность в настоящий момент ниже, чем у кремниевых, они могут изготавливаться по тонкопленочной технологии в виде полупрозрачных гибких элементов. К тому же у них можно изменять ширину запрещенной зоны, и тем самым варьировать диапазоны длин волн, на которых они могут работать. Это дает возможность создавать, во-первых, многослойные перовскитовые преобразователи с широким суммарным охватом солнечного спектра, а во-вторых, наносить прозрачные пленки перовскитовых элементов поверх кремниевых панелей.

Так, согласно данным недавней публикации, ученым Пенсильванского университета удалось изготовить полностью полупрозрачный перовскитовый солнечный элемент. В данном случае они решили проблему прозрачности проводящих дорожек, изготовив их из нанослоя золота.

Эффективность солнечного элемента при этом достигла 19,8%, что является рекордом для полупрозрачного элемента. А в сочетании с традиционным кремниевым солнечным элементом тандемное устройство достигло эффективности 28,3% по сравнению с 23,3% только для одного кремниевого элемента.

«Повышение эффективности на 5% является гигантским. Это в основном означает, что вы преобразуете примерно на 50 ватт больше солнечного света на каждый квадратный метр материала солнечных элементов», — сказал один из разработчиков.

Перовскитовые солнечные элементы за десять лет удалось довести до промышленных образцов. Так, в Польше весной этого года заработала первая в мире линия по производству гибких солнечных элементов на перовскитовой основе. Они изготавливаются методом струйной печати.

Что касается других материалов, обладающих фотоэлектрическим эффектом, то их синтез и изготовление работающих на их основе устройств пока находятся на стадии лабораторных исследований.

Так называемые гироидные фотонные кристаллы являются перспективными в плане создания солнечных элементов или иных оптических преобразователей. Однако производство подобного вида материалов в промышленных масштабах сопряжено с большими трудностями.

«В настоящее время мы не можем промышленно производить одиночные гироидные фотонные кристаллы для работы в спектре видимого света с помощью процесса самосборки, который спонтанно объединяет наноразмерные химические „лего-блоки“», — рассказал доктор Саранатан, исследователь из отдела науки Йельского колледжа НУС.

Более крупные кристаллы могут быть изготовлены, а затем подвергнуты термоусадке для работы с видимым светом, но пока это можно сделать только в небольших масштабах и не без дефектов.

Однако совсем недавно ученые обнаружили сложный трехмерный фотонный кристалл в перьях синекрылой листовки — семейства сидящих птиц, эндемичных для Южной и Юго-Восточной Азии.

Сравнивая цветообразующие наноструктуры, присутствующие у родственных видов птиц, ученые обнаружили, что один из них способен непосредственно синтезировать одиночные гироидные фотонные кристаллы, которые обладают весьма желательными оптическими и электронными свойствами. Они являются идеальными для использования в фотоэлектрических элементах для выработки солнечной энергии. Ученые надеются, что это открытие поможет найти способ крупномасштабного производства этих нанокристаллов.

Использование этого кристалла имеет потенциал не только для улучшения фотоэлектрических элементов, но и для использования в других промышленных приложениях, таких как катализ в топливных элементах и волоконной оптике.

Оптоэлектронные материалы, способные преобразовывать энергию света в электричество, а электричество в свет, имеют многообещающие перспективы в качестве светоизлучающих, собирающих энергию и чувствительных технологий.

Однако устройства, изготовленные из этих материалов, часто являются малоэффективными, теряя значительную полезную энергию в виде тепла. Чтобы преодолеть существующие пределы эффективности, необходимы новые принципы преобразования света в электричество.

Недавно учеными Политехнического института Ренсселера было обнаружено новое оптоэлектронное явление при деформации нанопластин дисульфида молибдена. Материаловеды впервые использовали градиент деформации, чтобы нарушить инверсионную симметрию. При этом наблюдается уникальный фотоответ вблизи градиента деформации, который стимулирует протекание электрического тока через материал. Он известен как флексо-фотоэлектрический эффект, и его можно использовать для разработки новой и высокоэффективной оптоэлектроники.

Помимо солнечных панелей в состав нетрадиционных генерирующих систем входят накопители энергии. Избыток электроэнергии, возникающий в дневное время, необходимо каким-то способом аккумулировать для последующего использования. В настоящее время используются в основном два способа накопления энергии — либо в виде электрических зарядов в аккумуляторных батареях, либо в виде водорода, полученного при электролизе воды.

Ряд публикаций в последнее время сообщает о прорывных разработках в области химических источников тока. Так, в Китайской академии наук получили специальную мембрану, содержащую наноматериалы, которая существенно повышает характеристики щелочных цинк-железных проточных батарей (AZIFB).

Благодаря высокой ионной проводимости мембраны элементы AZIFB стали выдавать плотность тока до 200 мА на кв. см, а энергоэффективность их составила 82,36%.

Инженеры Корейского института науки и техники (KIST) с помощью наноматериалов доработали анод в натриево-ионных вторичных батареях. Метод адаптирован для крупномасштабного производства анодных материалов. Он может снизить производственные затраты и, следовательно, стимулировать коммерциализацию натриево-ионных батарей для устройств хранения энергии большой емкости.

А в университете KAUST разработали уникальную технологию извлечения лития из морской воды. Ученые разработали специальную керамическую мембрану LLTO, которая отделяет ионы лития от остальных химических элементов, содержащихся в воде. На выходе получается фосфат лития, который содержит лишь следы ионов других металлов — достаточно чистого, чтобы соответствовать требованиям производителей аккумуляторов.

В морской воде содержится примерно в 5000 раз больше лития, чем на суше, только в чрезвычайно низких концентрациях — около 0,2 части на миллион (ppm). Эта технология позволит пополнять запасы данного редкого элемента, которые иначе закончились бы к 2080 году.

Достаточно перспективным является способ непосредственного производства водорода под воздействием солнечного излучения. В университете Линчепинга (Швеция) разработали нанопористый кубический карбид кремния, который эффективно под действием солнечного излучения расщепляет воду с получением газообразного водорода. Такие генераторы водорода можно изготавливать в виде панелей, похожих на солнечные, и покрывать ими большие площади.

Помимо преобразования солнечной энергии в электрическую существуют технологии, которые получили название искусственного фотосинтеза. В этом случае энергия запасается в виде химических связей в молекулах с выделением кислорода. На этом направлении дела обстоят не так хорошо, как с электрогенераторами. Эффективных длительно работающих систем получить пока не удалось. Лишь в конце мая ученые из EPFL сообщили о некотором прорыве в реализации искусственного фотосинтеза. В своей работе они для проведения процесса искусственного фотосинтеза применили полупроводниковые полимеры, широко известные как пластиковая электроника. С помощью нее можно с высокой эффективностью реализовать процесс окисления воды с получением кислорода.

Эта технология показала эталонную производительность на два порядка лучше, чем предыдущие устройства на органической основе. Кроме того, ученые определили ключевые факторы, влияющие на надежную производительность процесса выделения кислорода, что поможет определить пути дальнейшего повышения эффективности.

Внедрение наноматериалов позволило исследователям университета Макгилла получить мембрану, которая существенно улучшила эффективность процесса выделения так называемой «голубой энергии». Основным элементом в этом способе получения энергии является селективно проницаемая мембрана. Она должна пропускать только один компонент соленой воды — либо молекулы воды, либо растворенные ионы соли. На сегодняшний день крупномасштабным проектам «голубой энергии», таким как норвежская электростанция Статкрафт, препятствует низкая эффективность существующей мембранной технологии.

В заключении можно сказать, что техника и технология нетрадиционных источников энергии пользуется всё возрастающим спросом. Так, в 2019 и 2020 годах объем введенных в строй мощностей составил 118 и 135 ГВт соответственно. В основном это элементы, изготовленные на кремниевой основе. Перовскитовые технологии только еще выходят из лабораторных стен и постепенно внедряются в промышленном масштабе.