«Скоростные авто на солнечных батареях — реальность». Как в УрФУ учатся управлять свойствами материалов

Солнце для получения электроэнергии используют с середины прошлого века. С тех пор эффективность устройств, что преобразуют энергию солнечного света в электричество, особо не выросла. «Сегодня КПД солнечных батарей редко превышает 20%, средний показатель — 15%. Наши исследования увеличат эту цифру на треть», — уверен Анатолий Зацепин, руководитель научно-исследовательской лаборатории «Физика функциональных материалов углеродной микро- и оптоэлектроники». Вместе с коллегами Анатолий Зацепин изучает оптические свойства наноструктур, чтобы создать материалы, свойствами которых можно управлять.

Анатолий Зацепин, руководитель научной лаборатории УрФУ и исследовательской группы «Фотоника и ВУФ-спектроскопия», приступил к исследованиям еще в СССР. «Вы же смотрели «Звездные войны»? Помните лазерные мечи? С создания и использования лазерных материалов я и начинал», — рассказывает ученый.

— Наши исследования относятся к квантовой оптике, точнее — нанофотонике. Это сравнительно новая область науки, которая возникла на стыке традиционной оптики, физики твердого тела и лазерной физики. Приставка «нано-» говорит сама за себя: исследуемые объекты очень малы. Чтобы понять, над чем работаем, приведу такой пример. Вы открываете кран, бежит вода — льется потоком. Но этот поток состоит из отельных частиц — молекул воды. Можно изучать поток: измерять его скорость, напор, температуру, — либо исследовать частицы потока. То же со светом: как ведет себя поток света в тех или иных условиях, изучает традиционная оптика. Мы же исследуем поведение квантов света — фотонов, и явления, которые происходят, когда фотоны взаимодействуют с веществами в наноструктурах.

Свет — электромагнитное излучение. Человеческому глазу доступна малая его часть — видимый спектр. Инфракрасное или ультрафиолетовое излучение — это тоже свет, только другой частоты. Когда на вещество воздействуют световые волны разных частот, его атомная структура и электронная структура могут меняться. Вы же знаете, что каждое вещество состоит из атомов, вокруг ядер вращаются электроны — это школьный курс физики. При облучении материала квантами определенной частоты электроны переходят в возбужденное состояние, начинают поглощать одни виды энергии, выделять — другие. Это называется конверсией энергии — один вид переходит в другой.

Если мы поймем законы, по которым происходит конверсия, научимся управлять процессом.

Так было с электроникой: вначале ученые выяснили, что есть элементарные частицы — электроны; потом узнали, как эти частицы себя ведут в различных эгнергетических состояниях, как изменяются под воздействием тех или иных физических полей. Чем больше узнавали, тем миниатюрнее и быстрее становились приборы, работающие на электронном принципе. Сначала это были ламповые приемники, сегодня — микропроцессоры. Фотоника — по сути та же электроника, только частицы другие, более быстрые.

В группе Анатолия Зацепина фотонику изучают 15 человек, включая ученых и аспирантов из Европы, Китая, Египта, Гонконга. Фундаментальные научные знания сразу пробуют применить на практике. Научный сотрудник лаборатории Юлия Кузнецова на недавнем международном конгрессе в Барселоне представила прототип солнечной батареи с повышенным КПД и получила специальный диплом.

Применить новые знания можно в самых разных областях — от обработки и хранения информации до альтернативной энергетики. Скажем, одна из задач, над которой работают ученые всех стран мира, — повысить скорость компьютеров. Электронному мозгу предлагается обрабатывать все больше и больше информации, а времени на это дается все меньше. Сегодняшняя электроника использует преимущественно кремний, но потенциал этого полупроводникового материала в плане быстродействия и миниатюризации практически исчерпан. Это как самолет: летит быстро, но ракетой не станет.

Кремний используют и в солнечных батареях. Но максимальный КПД такого источника энергии 15–22%. Это объясняется свойствами материала: кремний не напрямую преобразует свет в электроэнергию, а с привлечением дополнительных частиц. Грубо говоря, процесс пойдет только тогда, когда столкнутся три частицы — электрон, фотон и фонон. Даже двум людям подчас трудно встретиться, а тут три квантовые частицы, поведение которых и так носит вероятностный характер! К тому же фонон — квант тепловой энергии атомов, тепло. Значит, часть солнечной энергии не преобразуется в электричество, а просто уходит в тепловые потери.

Среди приборов, которые используют в исследованиях, эта установка. «Здесь можно смоделировать космос: поместить вещество в вакуум при температуре, близкой к абсолютному нулю, и добавить жесткое УФ-излучение. Это идеальные условия для экспериментов», — рассказывают Юлия Кузнецова и Вонг Чи Хо, научные сотрудники лаборатории.

Изменять характеристики твердых тел ученые пробовали и раньше. Для придания необходимых свойств в кристаллическую решетку внедряют атомы других веществ — это называется легирование. В результате в кристаллах возникают точечные дефекты и новые наноструктуры. Как раз эти дефекты и придают материалу необходимые свойства.

Моя ученица Юлия Кузнецова успешно экспериментирует с легированными фотонными наночастицами оксида гадолиния — редкоземельного металла с особыми оптическими, электронными и магнитными свойствами . Этот материал сегодня используют во многих отраслях — от атомной энергетики и металлургии до медицины. В наших исследованиях оксид гадолиния также пригодился: в наночастицах этого материала создаются такие дефекты кристаллической решетки, за счет которых УФ-излучение преобразуется в свет видимого диапазона. Тепловые потери при этом снижаются. Эти свойства мы использовали для создания более энергоемких солнечных батарей.

Пакетики с оксидом гадолиния — редкоземельного элемента. Это вещество ученые УрФУ использовали, чтобы «разогнать» солнечные батареи.

Мы сконструировали на базе традиционной ячейки солнечной батареи прототип батареи нового типа — с дополнительными элементами, которые конвертируют один вид энергии в другой. Опробовали в различных режимах — результат вдохновляет: КПД вырос почти до 30% . Так что скоростные авто на солнечных батареях — дело ближайшего будущего.

Наши исследования могут помочь и в лечении онкологии. Какая тут связь? Вопрос сводится к пониманию законов конверсии энергии и способности управлять этим процессом. Можно запустить наночастицу с заданными свойствами через кровь или другую биологическую жидкость в организм и воздействовать на нее инфракрасным излучением. Это длинные волны, которые проникают в мягкие ткани и не причиняют вреда. Поглощенное наночастицей первичное инфракрасное излучение преобразуется, к примеру, в ультрафиолетовое — и уничтожает больные клетки. Это уже технология сегодняшнего дня.

______________________

Проект «Человек наук» посвящен уральским ученым, которые меняют мир к лучшему. Их имена неизвестны широкой публике, но именно они развивают российскую науку. В каждой публикации журналисты 66.RU опускают свои дилетантские вопросы и оставляют ответы ученого в виде монолога.