Нанотехнологии. Правда и вымысел - Виктор Балабанов

Главная государственная цель программы – создание социально ориентированного энергетического хозяйства, за счет структурной перестройки энергопроизводящих и энергопотребляющих отраслей обеспечивающего эффективное энергосбережение в стране, надежное обеспечение энергоносителями отраслей экономики, снижение энергоемкости ВВП к 2010 году – на 26 % по отношению к психологическому рубежу 2000 года.

В настоящее время реализуется так называемый план ГОЭЛРО-2 – утвержденная правительством страны генеральная схема размещения энергомощностей до 2020 года, предусматривающая ввод дополнительно 41 ГВт электрических мощностей к 2011 году. Однако из-за глубокого мирового экономического кризиса и крупнейшей техногенной катастрофы на Саяно-Шушенской ГЭС выполнение данных планов маловероятно.

В рамках Федеральной целевой программы было выделено приоритетное направление «Энергосберегающие технологии», которое включает следующие наиболее перспективные области исследований:

• водородную энергетику;

• биотопливо и переработку биомассы;

• малую энергетику и энергосберегающие технологии для жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ);

• энергосбережение с помощью новых технологий и агрегатов;

• новые технологии и энергетическое оборудование.

В соответствии с планами данной стратегии, к 2030 году производство электроэнергии в нашей стране должно удвоиться.

Наряду с электроникой и медициной, энергетическая сфера – наиболее бурно развивающийся и перспективный рынок для нанотехнологических разработок. Главными задачами применения нанотехнологий и наноматериалов в энергетическом секторе экономики страны является повышение эффективности, надежности, безопасности и срока службы, а также общее снижение энергетических затрат в производстве ВВП.

Предполагается, что нанотехнологии позволят решить многие энергетические проблемы посредством применения более эффективного освещения, топливных элементов, водородных аккумуляторов, солнечных элементов, эффективных катализаторов и суперконденсаторов, распределения источников энергии и децентрализации производства, а также хранения энергии за счет качественного обновления электроэнергетической системы.

Генерация (получение)энергии

Наиболее перспективными направлениями ближайшего будущего в сфере преобразования и генерации энергии являются фотовольтаики (солнечные элементы), преобразование водорода (топливные элементы), термоэлектричество (термоэлектрические устройства), совершенствование углеводородной топливной энергетики (катализаторы, добавки), на первоочередное развитие которых направлена деятельность многих крупных производственных предприятий и институтов.

По данным консалтинговой компании Lux Research (США), общий размер рынка солнечной энергетики в 2008 году достиг 33,3 млрд долларов, или около 5 ГВт. Ориентировочно в пересчете на денежный эквивалент, данный рынок с 2001 года увеличился более чем в 11 раз. Сегмент кремниевых тонкопленочных солнечных модулей в 2008 году оценивался в 0,6 ГВт, но, по прогнозам экспертов, уже к 2012 году он увеличится до 2,4 ГВт, что составит в денежном выражении прирост с 3,8 млрд до 8,6 млрд долларов.

Главной сферой применения веществ, созданных на основе нанотехнологий, пока являются различного рода катализаторы и другие методы очистки, а также создание веществ с новыми свойствами для различных отраслей энергетики. Основная цель применения наноматериалов в энергетическом секторе – увеличение эффективности, надежности, безопасности и срока службы, а также снижение себестоимости.

По данным The Global Technology Revolution 2020, In-Depth Analyses от 2006 года, только дешевая солнечная энергетика включена международными экспертами в перечень 16 самых перспективных технологий 2020 года. При этом сами нанотехнологии названы одной из четырех основных технологий будущего наряду с биотехнологиями, информационными технологиями и технологиями материалов.

Направление исследований и практических работ по изучению и созданию оборудования для прямого преобразования солнечного излучения в электрическую энергию с помощью специальных полупроводниковых элементов – солнечных батарей, называют фотовольтаикой.

Основным устройством для генерации электрического тока при помощи солнечного излучения являются солнечные батареи (модули), которые состоят из полупроводникового диода, помещенного между двух проводящих слоев (рис. 49). Когда свет поглощается полупроводником, в нем образуют электроны и дырки (вакансии), которые перемещаются к электрическим контактам, создавая тем самым электрический ток.

В настоящее время в связи с совершенствованием методик генерации света, появлением новых типов модуляторов света (электрооптических, акустооптических и др.) и развитием полупроводниковой техники создаются устройства для использования не только видимого спектра светового излучения, но и излучения с длиной волны от ближнего ультрафиолетового (200 нм) до терагерцевого диапазона (75-150 мкм или 2–4 ТГц).

Рис. 49. Схема работы классической кремниевой солнечной батареи: 1 – чистый монокристаллический кремний; 2 – «загрязненный» кремний; 3 – аккумулятор

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;