Тончайшая и гибкая блестящая пластинка — ее и в руки страшно взять, не то что согнуть: вдруг сломаешь. Казалось бы, чего от нее ждать? А эта пластинка — не что иное, как образец полимерной солнечной батареи. Ее активный слой — всего 100 нанометров, он нанесен на легко сгибающуюся подложку, которая выглядит куда солиднее — ее толщина около 200 микрон. В будущем, когда производство этого суперсовременного полимерного материала поставят на поток, его начнут выпускать рулонами, как пленку. Солнечными батареями — подумать только! — можно будет обклеивать практически любые поверхности, и они станут исправно поглощать солнечные лучи, перерабатывая их в электроэнергию.
И это не фантастика, а достижимая реальность, уверяет доктор физико-математических наук Дмитрий Паращук, руководитель группы “Органическая электроника” Международного учебно-научного лазерного центра и физического факультета МГУ. Вот только когда она осуществится, пока не ясно.
— Действующие сегодня солнечные батареи, в основном, делают из кремния, — объясняет Дмитрий Юрьевич. — КПД лучших из них — 25%. Но это выставочные образцы, а у тех, что продают в магазинах, производительность примерно вполовину меньше. К тому же на их изготовление идет так много энергии, что они окупятся лишь через несколько лет. Самые эффективные — многослойные батареи на основе арсенида галлия и родственных соединений (это направление продвигает нобелевский лауреат Жорес Алфёров). КПД их лучших образцов превышает 40%, но они чересчур дороги, поэтому их применение под вопросом. В развитом мире идет поиск новых дешевых полупроводниковых материалов, которые будут гарантировать высокий КПД солнечных батарей.
Одно из прорывных направлений — создание органических полупроводниковых материалов, в частности, полимеров. Они очень дешевы, технологии их производства освоены давно. Их, как я уже говорил, можно выпускать рулонами, как полимерную пленку. Да вот беда — полупроводниковыми свойствами они не обладают. Этот пробел был устранен примерно в 70-е годы прошлого века. Тогда стало ясно, что электронику можно делать из тонких полимерных пленок с проводящими свойствами. Открытие первого проводящего полимера (полиацетилена) принадлежит японцу Х.Ширакаве, за что вместе с двумя американскими коллегами он получил Нобелевскую премию по химии 2000 года.
Сегодня КПД лучших мировых образцов солнечных батарей, выполненных из органических материалов, достигает 12% — почти вполовину меньше, чем у кремниевых. Но обратите внимание: кремниевым технологиям уже полвека, скорее всего, они достигли своего потолка, а полимерные еще очень молоды, им всего-то 15-20 лет, но они успели совершить блестящий рывок. К тому же, по сравнению с кремниевыми, стоимость полимерных технологий будет на порядки ниже — может быть, в 10, а то и в 100 раз. Правда, органические материалы не обладают столь стабильными качествами, как их кремниевые собратья, и служат всего несколько лет. Но на это, как мне кажется, можно просто закрыть глаза и изменить требования к батареям, поставив на первый план не большой срок службы, а их дешевизну. Учитывая, что углеводородное сырье не вечно, а спрос на энергию постоянно растет, неминуемо встанет вопрос: откуда ее брать? Чтобы освоить производство эффективных и дешевых солнечных батарей, готовых выдержать конкуренцию со стороны традиционных кремниевых, интересующих рынок и получивших поддержку бизнеса, необходимо синтезировать новые полупроводниковые материалы. Они должны, в первую очередь, очень хорошо поглощать солнечный свет и проводить электрический ток. Это прорывное направление лежит на стыке сразу нескольких наук, а потому и разрабатывать его надо совместно с химиками и материаловедами. Наша группа сотрудничает с лабораторией члена-корреспондента РАН Сергея Пономаренко (Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С.Ениколопова РАН) и с Казанским научным центром Института органической и физической химии им. А.Е.Арбузова РАН.
Химики спрашивают нас: каким должен быть материал? Что нужно в нем изменить или улучшить? Но, кроме общих требований, нам трудно четко сформулировать совершенно новую задачу, вот и приходится идти вперед, пользуясь методом проб и ошибок. Новые материалы химики разрабатывают в виде порошков. Мы их растворяем и наносим на активный слой солнечной батареи (она многослойная). КПД лучших зарубежных образцов из органических материалов уже превысил 10%, ожидается, что скоро они появятся на рынке. Задача, считаю, вполне осуществимая: ведь каждый год эффективность батарей, правда, пока в лабораториях, увеличивается на 1%.
Мы интенсивно ведем исследования еще и потому, что их результаты можно использовать в других направлениях. Есть задача, возможно, не менее масштабная — преобразовать электрическую энергию в световую. Для этого к определенной органической пленке достаточно подвести электрическую энергию, и она ярко засветится. Такие пленки будут освещать большие помещения, из них можно делать дисплеи, мониторы, ноутбуки, планшеты — все светоизлучающие устройства. Непосвященному это может показаться фантастикой, но компьютер будущего со всем его “хозяйством” — клавиатурой, дисплеем, памятью — превратится в небольшой кусочек пленки, который можно свернуть и положить в карман. Таковы возможности органической электроники.
Еще одно направление нашей группы — разработка транзисторов в виде особой сверхтонкой пленки, состоящей из полупроводниковых молекул. Ее толщина — всего один молекулярный слой, это два нанометра. Технология создания пленок простая и дешевая. Достаточно в емкость с водой капнуть раствором, содержащим нужные молекулы — и они, как масло, растекутся по поверхности. Остается лишь аккуратно их собрать, перенести на подложку и подвести электроды — получится транзистор. Удивительно, но при таких, практически невидимых глазу, мизерных размерах он отлично работает. Правда, сегодня такая важная характеристика лучших монослойных органических транзисторов, как подвижность зарядов, раз в 100 хуже кремниевых, используемых в экране мониторов или планшетов. Но для одного монослоя молекул, думается, это выдающееся достижение. И не нужно, на мой взгляд, ради повышения КПД увеличивать количество слоев. Вовсе не обязательно, чтобы ультратонкие пленочные материалы догнали, а потом превзошли кремниевые. Задача другая — создать чрезвычайно дешевую электронику, даже одноразовую (например, для интеллектуальной упаковки), а иногда и съедобную (если использовать молекулы типа аминокислот). Пока это фантастика, но пленочные приборы можно будет наносить едва ли не на любую поверхность или, например, интегрировать в одежду. На основе пленочных транзисторов промышленность освоит выпуск множества гибких и прозрачных электронных устройств. Недаром это направление сегодня в мире привлекает все большее внимания как исследователей, так и бизнеса. Отрадно, что наша группа находится в числе лидеров.
— А как получилось, что физик Дмитрий Паращук вышел на это, на наш взгляд, фантастически интересное прорывное направление, самым непосредственным образом связанное с органической химией и полимерами?
— На физфаке я изучал оптические свойства обычных неорганических полупроводников, — вспоминает Дмитрий Юрьевич. — Об органических тогда еще мне ничего не было известно. Затем произошла, думаю, знаковая встреча с выдающимся химиком — Валерием Михайловичем Кобрянским, в то время работавшим в Институте химической физики им. Н.Н.Семенова РАН. Он предложил мне исследовать полимер, обладающий полупроводниковыми свойствами. Это направление показалось Кобрянскому чрезвычайно перспективным, он даже поехал в Америку к будущему нобелевскому лауреату по химии Алану Хигеру и попробовал договориться о сотрудничестве, но из этого ничего не вышло. Кобрянский вернулся в Россию и в одиночку занялся исследованиями (это было в 1992 году). А я, молодой кандидат наук, стал ему помогать, исследуя оптические свойства упорядоченного полиацетилена. Тогда, задолго до нанотехнологического бума, мы назвали его нанополиацетилен. На мой взгляд, это лучший материал из полупроводниковых полимеров по уровню порядка, а порядок во многом определяет свойства. Пришлось много еще чем заниматься, в частности, научиться понимать химиков — на физфаке ни к чему подобному нас не готовили. Затем защитил докторскую диссертацию, посвященную уникальным свойствам нанополиацетилена.
Сегодня нашей молодежи намного легче войти в эту тематику, находящуюся на стыке сразу нескольких наук, поскольку уже есть задел — теоретический и практический. Обычно ребята приходят к нам еще на втором курсе и подключаются к исследованиям. К диплому у лучших из них уже есть публикации в высокорейтинговых журналах, они участвуют в международных школах и конференциях.
— Молодые люди, наверное, в очередь встают, чтобы попасть к вам?
— Пожалуй. Студенты физфака охотно идут к нам, поскольку видят перспективу, к тому же сейчас в МГУ появилось самое современное оборудование.
Сегодня студентов и аспирантов у нас более 20 человек. Но будь их и раза в два больше, я сумел бы всех загрузить: тем хватает. Проблема в другом: нет помощников — 30-летних (и старше) специалистов. Получается, что основной вклад в исследования вносят аспиранты и студенты. А потом они решают, что им делать дальше.
— Многие уходят?
— Увы, лучшие идут не в науку, а в другие сферы, финансовые например, потому что хотят завести семью и нормально жить. А если стремятся к научной карьере, часто уезжают за границу. Но их немного. Правда, в связи с последними событиями вокруг РАН, да и вообще в сфере науки и образования, думаю, их число возрастет.
Юрий ДРИЗЕ
Фото Андрея МОИСЕЕВА
Нет комментариев