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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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?

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.

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.

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.

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.

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.