Одна из главных проблем солнечной энергетики — неустойчивость генерации, вызванная существованием ночи.

Часто как выход из ситуации рассматривают наработку гелиоэлектростанциями водорода днем 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.

Изо всех видов альтернативной энергетики отдача на единицу вложенных средств у фотоэлементов пока наименьшая. (Иллюстрация NewScientist.)

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 обойдет. И действительно, специалисты из Университета Боулинг-Грин (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 не энергозатратно (ржавчина образуется без наших усилий), он дешев как грязь. Вас интересует его долговечность? Но, по современным данным, ржавчина стабильна как минимум на протяжении нескольких лет, да и после 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 ее получения и общей низкой ценой.

Проблемой остается плохая электропроводность, мешающая ржавчине передавать электроны вовне; именно поэтому ее не используют в нынешней гелиоэнергетике, хотя способности оксида железа быть фотоэлементом замечены еще в 1975 году. Кевин Сивула из Швейцарской политехнической школы в Лозанне нашел 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 доведет его до 10%, что сравнимо с дорогими кремниевыми образцами.

Принципиальная схема фотоэлемента, созданного группой Ротшильда.
(Иллюстрация Hen Dotan.)

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 упадет ее 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 пленке 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 пленки, 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.

Отчет об исследовании опубликован в журнале Nature Materials.

Подготовлено по материалам NewScientist.

Компьюлента