Солнце в ячейке Гретцеля

Лауреатом самой престижной в мире российской премии «Глобальная энергия» в этом году стал Михаэль Гретцель. Помимо почетных регалий Гретцель получил и самую большую в денежном выражении российскую премию — без малого 40 млн рублей. Швейцарский ученый был номинирован «за выдающиеся заслуги в разработке экономичных и эффективных фотоэлементов, известных как „ячейки Гретцеля”, предназначенных для создания недорогих, производительных солнечных электростанций».

Михаэль Гретцель — всемирно известный ученый с уникальным, третьим в мире, индексом цитирования в области химии. Его кандидатуру в качестве претендента на «Глобальную энергию» выдвинул в том числе и нобелевский лауреат по химии 1986 года Ли Юаньчжэ. Гретцель по праву считается одним из лидеров в области развития технологий солнечной энергетики. Разработанные им фотоэлементы — ячейки, названные его именем, — используют принцип, похожий на органический фотосинтез: поглощение квантов света молекулами органического красителя и протекание окислительно-восстановительных реакций при облучении солнечным светом. Это технология, альтернативная традиционным кремниевым. По мнению некоторых коллег Гретцеля, революционная работа, опубликованная ученым в журнале Nature в 1991 году, в которой впервые был описан новый тип солнечных ячеек, вполне могла бы номинироваться на Нобелевку.

Разработки Гретцеля и его коллег, выбивающиеся из ряда кремниевой фотовольтаики, пока не очень востребованы рынком, речь идет лишь о десятках мегаватт установленной мощности по всему миру. Но, говоря по справедливости, эффективно работающие образцы фотоэлементов, основанных на этой технологии, только начали появляться. Дело в том, что после открытия все надолго зависло в исследовательских лабораториях, а бурный прогресс технологий, появление которых стало прямым следствием развития ячеек Гретцеля, начался лишь в последние пять лет. Такой прогресс связан со значительным усовершенствованием ячеек Гретцеля и использованием вместо органического красителя особого вещества со структурой перовскита. Свойства этого материала позволили увеличить КПД фотоэлементов до 22%, обогнав по эффективности большинство использующихся в настоящее время кремнивых ячеек и поднять их рабочую стабильность. В принципе, уже понятно, как в перспективе создать масштабируемое дешевое производство таких фотоэлементов.

Отметим, что именно перовскитные технологии развиваются сейчас в мире самыми быстрыми темпами. Уже на начальных этапах развития ученые видели перспективы перовскитных ячеек с точки зрения экономической эффективности, однако многие годы эти технологии находились на задворках инновационного финансирования разработок — в том числе из-за инерции огромных инвестиционных вложений в кремниевую энергетику, сделанных в Северной Америке, странах Западной Европы и — в еще больших масштабах — в Китае.

Сам лауреат «Глобальной энергии» смотрит на современный рынок фотоэлектрических устройств непредвзято. Как и многие специалисты, которые отслеживают отраслевые тенденции и технологии, он говорит об избыточном влиянии пиара в теме солнечной энергетики, которую все связывают только с кремнием, что ограничивает возможности общественности, власти и инвесторов относиться к развитию этой области возобновляемой энергетики более взвешенно и разборчиво. «Стимул» решил поговорить обо всем этом с Михаэлем Гретцелем.

— Господин Гретцель, почему все же солнечная энергетика?

— Судите сами. Ежегодный объем солнечной энергии, поступающей на Землю, в сто раз превышает энергию всех мировых запасов — и углеводородов, и возобновляемых источников. Использование всего лишь одной сотой процента этой энергии могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а полпроцента способны полностью покрыть такие потребности на сотни лет вперед. Грех не научиться таким добром пользоваться. Я в своих презентациях всегда привожу высказывание Томаса Эдисона: «Я бы вложил свои деньги в Солнце и солнечную энергию. Какой источник энергии! Я думаю, нам не следует ждать, когда запасы нефти и угля иссякнут, чтобы осознать это». Представьте, великий изобретатель сказал это в 1931 году. Правда, до исчерпания запасов углеводородов еще далеко.

Михаэль Гретцель: «Рынок перовскитных солнечных технологий вырастет в ближайшие несколько лет на порядок»

Фотография предоставлена пресс-службой «Глобальная энергия»

— Судя по победным реляциям, которыми наполнены СМИ, у солнечной энергетики дела идут прекрасно. Если брать показатели начиная с 2005 года, то установленная мощность солнечных станций (СЭС) выросла к 2017 году в 70 раз, превысив 300 гигаватт. В прошлом году инвестиции только в этой сфере достигли почти 200 миллиардов долларов по всему миру.

— Эти цифры могут показаться впечатляющими, но надо иметь в виду, что 300 гигаватт — это пиковая мощность. Ее можно было бы получить при условии, что на каждый квадратный метр солнечных панелей круглосуточно в течение всего года падает 1000 ватт излучения. При этом мы должны учитывать и то, что угол падения солнца на панель должен быть совершенно определенный. Поэтому эта цифра при ее абсолютности очень условная. Например, в Швеции показатель установленной мощности можно сразу делить на 10. То есть, по сути, СЭС генерируют гораздо меньше энергии. В итоге в среднем глобально мы получаем, я думаю, максимум 50 гигаватт. То есть по всему миру в реальной генерации участвует только 50 гигаватт СЭС или немногим больше. Это много? А потребляется в мире 24 тераватт — в 500 раз больше. Мне говорили, к примеру, что 50 гигаватт — это примерно 20 процентов установленной мощности всех российских электростанций. (По данным компании IHS, коэффициент использования установленной мощности мировой солнечной энергетики еще меньше: в 2015 году он составил 12%, то есть делить на 10 надо не только в Скандинавии. — «Стимул»). Таким образом, если мы ставим на солнечную энергетику, если мы хотим покрыть всего лишь половину потребности человечества, мы должны увеличить количество производимой солнечной энергии в 200 раз.

— А в чем, собственно, проблема — знай себе масштабируй солнечную энергетику дальше. Если она будет расти такими темпами, как в прошлом году, когда было пущено 70 гигаватт, то к 2020 году ее установленная мощность удвоится и превысит 600 гигаватт.

— То есть исходя из той арифметики, которую я уже использовал, реальная генерация составит тогда 100 гигаватт по всему миру? А речь-то идет об увеличении, пусть постепенном, но все же на два порядка. Сейчас почти вся солнечная энергетика — это кремниевая фотовольтаика в различных модификациях. При этом кремниевые технологии, как вы знаете, прошли длинный путь развития. Первые батареи создавались для спутников и в России, и в США в самом начале пятидесятых годов прошлого века и имели КПД всего два процента. За шестьдесят с лишним лет этот показатель в лучших, обращаю ваше внимание, промышленных панелях увеличился на порядок — то есть примерно до 20 процентов, а средний КПД станций редко превышает 15 процентов. Понятно, что всегда есть куда двигаться с точки зрения улучшений, но есть ощущение, что довольно непросто — кремний остается дорогим и сложным технологическим продуктом. Кремниевый способ — самый дорогой способ производства энергии, и сегодня себестоимость ее выработки в среднем два раза выше по сравнению с той же энергией ветра, тепловой энергетикой. Непредвзятые расчеты показывают: в Европе при плохой инсоляции себестоимость киловатт-часа может превышают пол-евро! И если бы не многолетние огромные государственные субсидии, смог бы такой способ генерации выжить за свой счет? Проблема в том, что кремниевая фотовольтаика и сейчас живет на субсидиях.

— В то же время до сих пор ряд именитых венчурных инвесторов (таких раскрученных, как Илон Маск, к примеру) продолжают вкладывать значительные суммы в развитие кремниевых солнечных батарей.

— А вы знаете, в девяностых вообще мало кто видел перспективы солнечной энергетики. В те годы, когда ты произносил слово «фотовальтаика», инвесторы отшатывались от тебя, как от чумного, потому что никто из них не верил в перспективность этого направления. Поверьте, я много этим занимался. Ситуация стала кардинально меняться буквально через десять лет, после того как был введен специальный налог в тариф на электричество и фотовальтаика стала гораздо более привлекательным источником энергии. Правда, произошло это за счет других производителей энергии и в конечном счете тех же потребителей, которым пришлось нести налоговое бремя. Налоги же — это непосредственный результат определенной политики, которая проводилась довольно жестко, поэтому вопрос этот излишне политизирован. В общественном пространстве, к сожалению, вопросы поддержки ВИЭ воспринимаются уже как некая данность, которую нет нужды серьезно осмысливать и анализировать ее технологическую и экономическую подоплеку.

Что касается Маска, то он, приняв решение, что ему нужна энергия Солнца здесь и сейчас, купил самую эффективную на сегодняшний день промышленную технологию. Здесь нет никакого противоречия. Вот если бы он инвестировал миллиард в R&D в области кремния, я бы очень удивился. Эйфория же других инвесторов, я думаю, во многом связана с тем, что кремний подешевел за последнее десять лет почти в двадцать раз — с 400 долларов примерно до 20 долларов за килограмм. Многократное снижение стоимости кремния, которое мы наблюдаем, произошло из-за стремительного роста китайских производителей, который происходит благодаря дорогостоящей, стоимостью в несколько миллиардов долларов, национальной государственной программе Китая по развитию кремниевой промышленности. Любопытно, что, переняв технологии в Германии и обеспечив совершенно другой масштаб производства, китайцы оставили без работы самих немцев и некоторые компании, в том числе та, в которую когда-то я инвестировал собственные деньги, разорились. Но 20 долларов — это предел, и есть ощущение, что производители кремния работают практически себе в убыток, смягчая потери разве что эффектом масштаба. Так что у специалистов есть серьезные сомнения, что при дороговизне самой технологии будет достаточно финансовых ресурсов для кратного увеличения парка таких СЭС. Поддержка ВИЭ и сейчас нелегкое бремя даже для богатых государств.

По мнению Михаэля Гретцеля, для кратного увеличения доли солнечной энергетики в ней должны присутствовать не только кремниевые технологии

Фотография предоставлена пресс-службой «Глобальная энергия»

— Ваш коллега, выдающийся разработчик газовых турбин Siemens Клаус Ридле, тоже лауреат «Глобальной энергии», говорил, что в Германии, например, где 30 процентов электроэнергии вырабатывается ВИЭ, такая поддержка ежегодно обходится налогоплательщикам в 24 миллиарда евро. А реализация программы, согласно которой к 2050 году 80 процентов электроэнергии будет вырабатываться из возобновляемых источников, к 2050 году обойдется стране уже более чем в триллион евро. Можно ли говорить, что кремниевый путь — тупиковый с точки зрения разворачивания именно масштабной солнечной энергетики?

— Вы, журналисты, любите ставить крайние вопросы. Конечно, как профессионал я так считать не могу. И в этом нет противоречия. По сути это единственная работающая промышленная массовая технология. Это самая эффективная из существующих коммерческих сбалансированных по стоимости технологий получения энергии Солнца. Сложилась уже огромная кремниевая индустрия, на нее работают сотни тысяч, если не миллионы людей. Кремний — проверенный материал, и запасы его в мире практически не ограничены, это второй элемент по распространенности на Земле. Я не исключаю и небольших улучшений, связанных, например, с повышением эффективности, с удешевлением процессов производства. Десятки лабораторий каждый день продолжают заниматься различными аспектами кремниевой фотовольтаики, в том числе, кстати, и связанными с возможностями использования перовскитных технологий вместе с кремниевыми, которые я сейчас развиваю с коллегами, так что возможны и какие-то синергетические эффективные гибридные варианты фотоэлементов. Нет, я совершенно не критикую кремниевые технологии. Это экономика большого масштаба. Она развивается и все время расширяется. Вопрос в другом: можем ли мы позволить себе субсидировать дальнейшее развитие дорогостоящей кремниевой фотовальтаики? А она все равно дорогая. Она слишком затратна уже на этапе строительства новых производств — миллиарды долларов, — и очевидно, что изначально закладывается слишком высокая себестоимость оборудования для солнечных электростанций, которая опять-таки станет ограничителем роста их парка. Здесь, конечно, есть и хорошая новость: дороговизна одной технологии всегда открывает некое свободное пространство для других, более дешевых.

— Но ведь вас не устраивает, что сейчас все сфокусировалось на кремнии: субсидии, инвестиции, внимание прессы и властей?

— Это не устраивает уже саму отрасль, которая начинает упираться в определенные потолки. Посмотрите, уровень субсидирования в различных формах в Европе снизился, и есть сведения, что здесь появился и тренд на снижение продаж самих панелей. В то же время появились и быстро растут — причем некоторые фантастически быстро — и другие, не связанные с кремнием направления в области солнечной энергетики. Кремний шел к КПД 20 процентов шестьдесят лет, а перовскитными технологии — меньше десяти. Эффективность последних сейчас уже 22,4 процента — это сертифицированная подтвержденная эффективность. Пока технологическая и политическая инерция ограничивают возможности их промышленного развития. Но эта инерция все равно будет преодолеваться за счет появления более дешевых эффективных технологий, таких как наша, которым к тому же вовсе необязательно покушаться на сложившийся кремниевый рынок. Причем у них могут быть и другие области применения, не связанные с большой энергетикой.

— Господин Гретцель, сейчас тысячи ученых в мире занимаются перовскитными технологиями, выходят десятки тысяч публикаций. В чем секрет привлекательность этих технологий для разработчиков?

— Перовскитные солнечные элементы появились из молекулярной фотовольтаики, которой я всегда занимался как ученый. Но правильнее было бы говорить, что класс перовскитных солнечных ячеек — это все же самостоятельный класс устройств, которые появились как логическое развитие ячеек Гретцеля. Акт поглощения кванта света в ячейках Гретцеля происходит при его поглощении молекулой красителя, это чем-то схоже на реакцию фотосинтеза. В перовскитных же ячейках квант света поглощается объемным полупроводником (речь идет о тех же перовскитах), а образовавшиеся электрон и «дырка» после этого двигаются каждый к своему гетеропереходу.

Поток солнечного света (правая схема) проходит через прозрачное стекло, прозрачный электрод (FTO) и электрон-проводящий слой (TiO₂) и поглощается перовскитом. В результате поглощения света образуется электрон и «дырка», которые мигрируют к электрон-проводящему и дырочно-проводящему слоям, а затем к электродам, что приводит к созданию направленного движения электронов, то есть к возникновению электрического тока.

На энергетической диаграмме (левая схема) процесс поглощения света можно представить как переход электрона из валентной зоны в зону проводимости за счет приобретения электроном энергии излучения Солнца

Схема предоставлена Алексеем Тарасовым, заведующим лабораторией новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ имени М. В. Ломоносова.

Сейчас, повторю, такие элементы достигли КПД 22,4 процента, они очень дешевы, так как используют в тысячу раз меньше дорогих материалов, поглощающих свет, чем кремниевые солнечные батареи, и не требуют энергозатратных процессов, таких как выплавка и очистка кремния. Начинается их промышленное производство, и мы видим, что они обладают потенциалом многократного снижения себестоимости при условии расширения выпуска.

К тому же они могут быть сделаны при низкотемпературных процессах и не требуют, как в кремниевой фотовольтаике, сложного оборудования. В принципе, любой подготовленный химик в обычной лаборатории, задавшись целью и имея стекло с проводящим покрытием, нагревательную плитку, которая греет до 400 градусов, довольно широко используемые соединения титана, иодид свинца, иодид метиламмония, углеродный скотч, может создать перовскитную ячейку. Пусть плохо, но она будет работать.

Что касается потребительских качеств как перовскитных ячеек, так и ячеек Гретцеля, то я вижу, что помимо своей дешевизны они имеют задел гораздо большего функционального использования, чем кремниевые. Важное их свойство — способность эффективно улавливать рассеянный свет. В ходе их представления прессе я показывал, как в дождливый петербургский день гибкая фотопанель на основе ячеек Гретцеля на моем рюкзаке генерировала достаточно энергии, чтобы вращать небольшой вентилятор. Такие рюкзаки вы уже можете легко купить в Европе, скорее даже заказать — так быстро они продаются в нынешних условиях жизни, когда мы носим с собой по несколько электронных гаджетов сразу. Есть заказы на одежду со встроенными перовскитными элементами, это большой потенциальный рынок — то есть уже много разработок, позволяющих достичь прозрачности, цветности и гибкости фотоэлементов, чего нет в кремниевых элементах. Одна компания производит около миллиона квадратных метров панелей нашей разработки в год — их покупают для обустройства на крышах, фасадах, полупрозрачные панели ставят в качестве шумозащиты на дорогах. И это при том, что эффективность таких панелей составляет около 10%. Перовскитные элементы, эффективность которых уже сегодня превышает 20%, потенциально имеют ещё большие перспективы их применения.

— Ожидать ли сюрпризов в этой сфере, например в связи с большой энергетикой?

— Для большой энергетики перовскиты пока не годятся, энергетикам требуется гарантированная работа без деградации элементов в течение как минимум десяти лет, и это понятно, а перовскитовые ячейки пока недостаточно долговечны. Но еще раз повторю, это технологии, которые невероятно быстро прогрессируют, и, я думаю, уже в ближайшие годы проблема стабильности и долговечности элементов будет решена.

Поэтому я и говорю об отсутствии конкуренции: проблема не в попытке вытеснить кремний — это просто невозможно, — а в необходимости тем же инвесторам увидеть и альтернативные технологии в этой области. Мы видим, что наши разработки становятся все более популярными. В частности, мы уже несколько лет успешно сотрудничаем с учеными из МГУ по перовскитной тематике в рамках совместного российско-швейцарского проекта. Он был начат в 2015 году и признан одним из эталонных с точки зрения совместной работы: ученые двух стран публикуют совместные работы в ведущих журналах, отправляют на стажировки студентов, читают лекции и, разумеется, продолжают совершенствовать технологии.

- Вы имеете в виду сотрудничество с коллегами Факультета наук о материалах и Химического факультета?

- Да, это молодежный коллектив, в котором молодые ребята, в основном студенты, проводят исследования на очень высоком научном уровне. За полтора года совместного сотрудничества мы уже опубликовали две серьёзные работы в высокорейтинговых журналах. В частности, я считаю, что большие перспективы имеет метод, который придумали в МГУ, с использованием расплавов полииодидов, которые оказались жидкими при комнатной температуре. В конце апреля мы опубликовали совместную статью на эту тему.

— Господин Гретцель, каким был ваш путь в науку?

— Вы не поверите, когда я учился в средней школе, то метался, выбирая между профессиональной музыкой и изучением точных наук. Я родился в семье лютеранского пастора, который отдавал много сил, заботясь об образовании своих шестерых детей. Мне говорили, что я прекрасный пианист, но все же заниматься по десять часов музыкой я не мог и, последовав совету отца, в итоге отправился в Берлин изучать химию, что, теперь могу сказать определенно, оказалось жизненно правильным выбором. Мне повезло и с грантом Petroleum Research Foundation, который я получил почти сразу по окончании университета и благодаря которому более двух лет проработал в США. Этот фонд управляется Американским химическим обществом, которое, вообще-то, поддерживает исследования, непосредственно связанные с нефтью или ископаемыми видами топлива. Но надо отдать должное их дальновидности, они поддержали мое стремление заниматься фотосинтезом, проблема которого всегда меня интриговала — ведь это самый важный процесс жизнеобеспечения на Земле. Благодаря исследованиям в этой области в итоге я состоялся как ученый и получил множество наград, включая премию «Глобальная энергия».

Совместная работа группы Политехнической школы Лозанны, возглавляемой Михаэлем Гретцелем (второй справа), и ученых Московского университета под руководством Алексея Тарасова (третий справа) находится на самом острие мировых исследований в области перовскитных технологий

Фотография предоставлена Алексеем Тарасовым, заведующим лабораторией новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ имени М. В. Ломоносова

В восьмидесятых годах прошлого столетия я очень увлекался фоторасщеплением воды на кислород и водород. Но тогда цены на нефть сильно упали и фотовольтаика вообще перестала кого-либо интересовать. Помню, как в 1984 году я поехал в Париж на конференцию, посвященную альтернативным источникам энергии, и организаторы, лишившись спонсоров, не смогли даже оплатить мне билет на поезд. Это хорошо описывает тогдашнюю ситуацию с отношением к ВИЭ. В США Рональд Рейган жестко прекращает финансирование программы развития солнечной энергетики. Примерно такая же ситуация сейчас, кстати, с Дональдом Трампом. Но я понимал, что фотовольтаика — почти нетронутая область знаний и очень интересная, почему бы ею не продолжать заниматься? Позже появились первые результаты, которые можно было потрогать руками, а прорыв в фотовольтаике принес нам большое количество грантов для дальнейших исследований. Поэтому я никогда не сдаюсь — в свое время понял, что фотовольтаика может быть экономически привлекательным делом и рано или поздно инвестор придет. А политика что — она меняется. В 1988 году в Чикаго прошла конференция, к нам вышел Джон Херрингтон, который на тот момент еще был министром энергетики США в администрации Рейгана и до того «отменил» солнечную энергетику у себя в стране. И он сказал нам: «Ребята, для вас есть надежда», — не договорив, в чем же она заключается. Надеждой оказался парниковый эффект, тогда все больше стали говорить о его негативном влиянии. И он сказал, что наши технологии будут нужны и востребованы, потому что проблема уже стала очевидной. Я и сейчас продолжаю заниматься фотовольтаикой, изучая возможности преобразования солнечного света непосредственно в органическое топливо. Не оставил я, кстати, и занятия музыкой и пою по воскресеньям в григорианском хоре Лозанны.

Автор благодарит за помощь в подготовке этой статьи Алексея Тарасова, заведующего лабораторией новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ имени М. В. Ломоносова.