Нанотехнологии. Правда и вымысел

В идеальном случае можно использовать весь видимый спектр солнечного излучения: от близкого к инфракрасному до ультрафиолетового. Это очень актуально в районах, где мало солнечных дней. Подобные задачи решаются теоретически, однако все зависит от типа и конфигурации используемых материалов. Исследование, создание и совершенствование подходящих материалов, разработка и производство на их основе новых устройств фотовольтаики – главная задача и условие развития солнечной энергетики.

Другой немаловажной проблемой является стоимость солнечных батарей, которая пока остается достаточно высокой для их повсеместного применения, а также достаточно низкий коэффициент полезного действия (КПД). Именно нанотехнологии могут и должны в ближайшие годы решить эти проблемы.

В качестве примера хотелось бы перечислить некоторые наиболее известные мировые нанотехнологические разработки для фотовольтаики, направленные на решение указанных проблем:

• гибкие органические солнечные батареи на основе фуллеренов (С60) и гетероструктур С6о/p-Si с высокой поглощающей способностью в коротковолновой области солнечного спектра;

• солнечные батареи на основе накопления и энергопереноса в неорганических и органических материалах с нано-слоевой и кластерно-фрактальной структурой;

• органические фотоэлементы солнечных батарей на основе полимерно-фуллереновых наноструктур, в которых транспорт носителей заряда осуществляется сетью нанокристаллов и органических молекул;

• солнечные батареи на основе квантовых точек, улучшающих их КПД до 42 % (теоретически – до 86 %) за счет генерации трех электронов на один падающий фотон;

• многослойные гетероструктуры InGaAs/AlGaAs и InAs/ InGaSb с квантовыми ямами и гетероструктуры Ge/Si с квантовыми точками для промышленной технологии производства фотоприемных модулей ИК-диапазона;

• мультикаскадные наногетероструктурные фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии каскадного типа с КПД до 35 % при 1000-кратном концентрировании наземного солнечного излучения (в два раза дешевле существующих преобразователей) для создания концентраторных солнечных энергоустановок в районах без централизованного электроснабжения;

• солнечные батареи на основе керамических наноматериалов из слоев диоксидов титана и кремния толщиной от 50 до 100 нм каждый, на треть повышающие выработку электроэнергии без увеличения площади солнечных элементов;

• дешевые солнечные батареи из металлических наноматериалов (Ag, Cu, Co, Mn, Mg, Zn, Mo, Fe), их оксидов и гидроксидов, использующие физические явления;

• трехмерные солнечные элементы на основе углеродных нанотрубок, повышающие коэффициент поглощения солнечной энергии кремниевыми солнечными батареями с нынешних 67,4 до 96,21 %;

• солнечные батареи из решеток наноантенн диаметром 2–4 мкм, преобразующие в электричество 92 % световой энергии (прототипы поглощали до 80 %); работают ночью за счет утилизации ИК-диапазона (тепла Земли, электронных и других источников);

• солнечные батареи из поликристаллического кремния (c-Si) – используются высокочистые кремнийсодержащие материалы для наноуровневого производства устройств фотоэлектрического преобразования солнечного излучения (фотоэлементов) и микроэлектроники;

• солнечные элементы, созданные на основе аморфного кремния (a-Si), позволяющие уменьшить толщину солнечных батарей при повышении эффективности более 10 %;

• обладающие необходимой механической прочностью аэрогели для солнечных коллекторов из объединенных в кластеры наночастиц (до 5 нм) и с полостями (до 100 нм), занимающими до 99 % объема;

• солнечные источники энергии с потенциалом недорогого производства на основе наноструктурированных солнечных элементов, сенсибилизированные специальным поглощающим красителем.

При поддержке «РОСНАНО» в Усольске-Сибирском Иркутской области на базе отечественного предприятия НИТОЛ строится комплекс по производству поликристаллического кремния (на основе которого в настоящее время производится до 90 % всех солнечных элементов в мире) и моносилана (бесцветного газа, служащего для производства ЖК-дисплеев и тонкопленочных солнечных модулей).

Старт основного производства состоялся в 2009 году. При этом мощность проекта по производству поликремния должна составить 3800 т в год, а по моносилану – 200 т в год. Общий бюджет проекта оценивается в 18,9 млрд рублей.

Некоторым политикам и ряду ученых хотелось бы не замечать эти и другие практические достижения отечественных и мировых ученых и практиков, но факты говорят сами за себя – подобные примеры практического применения нанотехнологий можно привести по многим другим отраслям промышленности.

В некоторых случаях солнечные батареи являются основным источником энергии (например, в космической технике). В других случаях они уже конкурентоспособны по отношению к углеводородным материалам (например, в локальном энергообеспечении удаленных местностей, особенно в экологически чистых районах).

По мнению ученых и экспертов, наиболее перспективное снижение себестоимости солнечных элементов ожидается со стороны высокочувствительных красок (покрытий) для солнечных элементов и солнечных элементов на основе органических полимеров.

По сообщениям СМИ, в конце мая 2009 года ГК «РОСНАНО» и «Ренова Оргсинтез» подписали инвестиционное соглашение о создании в России совместного предприятия Nano Solar Technology Ltd по производству солнечных модулей. В рамках проекта планируется строительство предприятия полного цикла производства солнечных модулей на территории промышленной площадки ОАО «Химпром» в городе Новочебоксарске (Чувашия). Полная стоимость проекта оценивается в 440 млн евро.

Для запуска производства был заключен контракт со швейцарской фирмой Oerlikon на поставку линии для производства солнечных модулей по технологии тонких пленок Micromorph. Объем выпускаемой продукции в 2011 году при выходе производства на проектную мощность должен составить 120 МВт (1 млн солнечных модулей) в год.

К сожалению, 85 % производимых солнечных модулей планируется продавать в Европе и только 15 % (в долгосрочной перспективе) направлять на отечественный рынок.

Конечно, солнечная энергия может использоваться и в термоэлектрических устройствах для обыкновенного нагрева воды и обогрева домов и офисов – наноструктурированные материалы смогут увеличить эффективность подобных устройств и систем.

Другой немаловажной задачей исследований в области генерации энергии являются топливные элементы. В настоящее время топливные элементы пока находятся на этапе разработки опытных образцов (прототипов). Однако их применение в наше время еще в большей степени ограничено высокой ценой.

Японская корпорация Honda разработала полупроводниковый катализатор воды на основе наночастиц углерода, позволяющий под воздействием солнечного облучения достаточно эффективно разлагать воду на кислород и водород. При этом используется не только видимый свет, но и более широкий спектр излучения. По данным Brookhaven National Laboratory, это позволит увеличить эффективность разложения воды до 8 %, что вплотную приближается к пороговому значению в 10 %, установленному Министерством энергетики США для возможности рентабельного коммерческого использования.

Исследования применения различных видов топливных элементов указывают на их более высокую эффективность по сравнению с электрическими аккумуляторными батареями, даже несмотря на низкий коэффициент преобразования вещества (носителя) в конечное топливо.

В Ирландии при участии компании More Energy (Израиль) и Института теплотехники Сибирского отделения (СО) РАН запущено массовое производство топливных элементов с мощностью 1,3 Вт. В перспективе планируется выпуск до 1,5 млн изделий в месяц. В СО РАН разработан лабораторный образец топливного элемента на основе алюминия, а также ведутся исследования по использованию нанопокрытий палладия и платины на каталитических компонентах и мембранных системах.

С учетом относительной небезопасности водородной энергетики, перспективными являются портативные топливные элементы на жидком топливе – растворах боргидридов. Замена углерода элементами с более высокой удельной теплотой сгорания позволяет получать топливо с лучшими энергетическими характеристиками. Особое место занимают работы в области разработки металлического топлива, которое широко применяется в ракетных двигателях.

Выходец из бывшего Советского Союза, уехавший в США, Соломон Лабинов (Solomon Labinov) предложил концепцию нового двигателя внутреннего сгорания, работающего на твердом металлическом топливе. В этом двигателе система питания объединена с выпускной системой. Топливный бак, оснащенный специальной подвижной перегородкой, заполняется топливом на основе нанопорошка железа. Горение (окисление) топлива происходит в камерах сгорания с образованием в отработавших газах практически чистого азота, без оксидов углерода и азота, углеводородов и сажи, а сгоревшие частицы порошка улавливаются с помощью специальных фильтров или магнитов. По мере использования порошка перегородка перемещается, а в образовавшийся объем подается отработавший порошок оксидов. Когда порошок полностью расходуется, топливный бак легко снимается с автомобиля и направляется на регенерацию, где под воздействием высокой температуры оксиды разлагаются на металл и кислород. Для восстановления оксидов также можно продувать сгоревший порошок чистым водородом.