“Nature is doing a wonderful job”

В конце июля в России впервые прошла IPS-21 – International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy, то есть Международная конференция по преобразованию и запасанию солнечной энергии. Мне повезло оказаться на пресс-конференции, где о своих исследованиях рассказали ведущие ученые в этой области.

 

Все способы преобразования солнечной энергии объединяются всего в три основных подхода. Первый – это всем знакомое преобразование солнечной энергии в электричество (фотовольтаика), особенно ее «третье поколение», о котором рассказал доктор Гэри Хоудс, руководитель группы отдела материалов научно-исследовательского института им. Вейцмана (Израиль).

 

– Материалы, используемые для преобразования солнечной энергии в электричество, существуют трех поколений. Первое поколение – кремниевая энергетика, то есть самые простые солнечные элементы. Второе поколение – это поликристаллические материалы, которые могут заменить кремний. Кремния сейчас примерно 90%, материалов второго поколения применяется около 10%, и сейчас много говорится о третьем поколении материалов и многое делается в этой сфере. Главная проблема материалов третьего поколения – они все должны быть структурированы.

Как получается электрическая энергия из солнца? Солнечный свет выбивает электрон, который и является электрическим зарядом, но здесь возникает проблема: чаще всего электрон просто рассеивается в виде тепловой энергии.

Нужно найти способ остановить электрон на его пути, чтобы он не успел рассеяться. Принцип структурирования солнечного элемента следующий: если электрон должен пройти через длинную структуру, он потеряет тепловую энергию, но, если он пройдет путь из последовательных структурированных слоев, он просто не успеет превратиться в тепло.

 

Второй подход – это преобразование солнечной    энергии в химическую энергию. О материалах и перспективах рассказал профессор Детлеф Банеманн, руководитель группы фотокатализа и нанотехнологий в институте технической химии университета им. Лейбница в Ганновере:

 

– Природа делает достаточно хорошую работу, но у нее очень низкая эффективность – всего лишь один процент превращается в топливо. Необходимо создать технические возможности, чтобы в десять раз повысить эффективность. Мы должны понимать процессы, которые хотим применить, а также их техническую реализацию, потому что для этого потребуются достаточно большие площади во многие квадратные километры, чтобы собирать электрическую энергию и преобразовывать ее в топливо, а затем его использовать. Кроме этих применений есть еще фотокатализ. Он может быть использован для фиксации экологических проблем, для того, чтобы очистить воду и воздух от вредных веществ, которые в них содержатся. Например, речь идет об оксидах азота, которые содержатся в воздухе от автомобилей и промышленных предприятий. Такая проблема существует в Германии, где достаточно высокое содержание оксидов азота в воздухе, и фотокатализ – способ изъять эти вещества с помощью специальных устройств, панелей на крышах и на стенах домов.

 

О третьем подходе – создании искусственных систем фотосинтеза – рассказал  Прашант Камат, главный научный сотрудник университета Нотр-Дам (США) и главный редактор журнала Energy Letters:

 

– 40 лет назад разразился первый из крупнейших энергетических кризисов, тогда мы поняли, что нужно искать пути сохранения и преобразования солнечной энергии. Сейчас говорят о том, что в ближайшие несколько десятилетий основными энергетическими инсталляциями будут солнечные и ветряные электрические установки. Фотосинтез – один из простейших способов преобразовать солнечную энергию в другую, в данном случае, в химическую (из углекислого газа в водород), и природа делает это отлично. Однако, если мы посмотрим на зеленые листья деревьев, на самом деле они абсорбируют недостаточно большое количество света, поэтому нам нужно создать материалы, которые поглощают большее количество света и трансформируют его в химическую энергию. Важно знать три аспекта обращения с солнечной энергией: забрать, преобразовать, сохранить. Солнечный свет непостоянен, электрическую или химическую энергию можно сохранить. Батареями, топливом, материалами, которые являются катализаторами процесса, а также материалами, которые абсорбируют свет. За последние несколько лет было создано пять наноматериалов. Они представляют собой полупроводники очень больших размеров, их свойство зависит и от формы структур, составляющих этих материалы. В преобразовании углекислого газа в топливо вроде метана существует два аспекта – запасание энергии высокоэнергетических веществ и преобразование углекислого газа, который вызывает климатические изменения. Как вы помните, некоторое время назад содержание углекислого газа достигло психологической отметки в 0,04% в атмосфере. Кроме получения топлива из солнечной энергии мы можем преобразовывать углекислый газ, который мы получаем, выбрасывая в атмосферу, сжигая топливо, и это тоже обсуждалось на конференции. В частности, обсуждались материалы, преобразующие солнечную энергию в топливо, которые называются перовскиты. Они названы в честь русского биолога Перовского и сейчас очень популярны в среде ученых, занятых изучением этой проблемы. Особенность этих материалов в том, что им требуется предельно чистая от загрязнений атмосфера, чистые комнаты без пыли. Для того, чтобы работать с перовскитами, требуются достаточно дорогие устройства.