На фотографии представлены первые образцы солнечных ячеек с применением органических красителей. Фото получено от пресс-службы УрФУ. Современная цивилизация подошла к черте, за которой экстенсивное развитие традиционной для нас кремниевой энергетики сталкивается с жесткими физическими и экономическими ограничениями. Кремниевые фотоэлектрические панели, ставшие символом «зеленого» перехода рубежа XX–XXI веков, требуют колоссальных энергетических затрат при производстве, высокой степени очистки сырья и остаются громоздкими, хрупкими и жесткими конструкциями. В поисках альтернативных решений, способных трансформировать саму концепцию интеграции солнечной генерации в городскую среду, ученые обратились к фундаментальным принципам живой природы. Результатом этого обращения стало создание сенсибилизированных красителем солнечных элементов (DSSC — Dye-Sensitized Solar Cells), в основе работы которых лежит искусственный аналог растительного фотосинтеза.

Ключевым элементом и «сердцем» этой технологии выступают органические красители — специально сконструированные молекулы, способные филигранно управлять потоками фотонов и электронов на наноуровне.

Истоки этой революционной концепции уходят корнями в XIX век, когда в 1839 году французский физик Александр Эдмон Беккерель впервые обнаружил фотогальванический эффект, экспериментируя с освещением платиновых электродов, погруженных в раствор электролита. Позже, в 1873 году, немецкий химик и фотограф Герман Вильгельм Фогель совершил прорыв в фотографии, обнаружив, что добавление органических красителей (например, цианинов) к галогенидам серебра позволяет эмульсии фиксировать длины волн света, к которым серебро изначально было нечувствительно. Это явление — спектральная сенсибилизация — легло в основу цветной фотографии и спустя столетие переродилось в энергетике. Настоящий технологический скачок произошел в 1991 году, когда швейцарские ученые Брайан О’Реган и Михаэль Гретцель опубликовали в журнале Nature эпохальную работу. Они предложили использовать мезопористый диоксид титана (\(TiO_{2}\)) с огромной удельной площадью поверхности, покрытый монослоем молекул красителя. Этот шаг увеличил эффективность ячеек Гретцеля сразу на несколько порядков, превратив их из лабораторного курьеза в перспективную индустриальную технологию. В ранних прототипах доминировали дорогостоящие металлокомплексы на основе рутения, однако вектор современных исследований необратимо сместился в сторону безметалловых органических красителей благодаря их экологичности, низкой стоимости и практически безграничным возможностям химического дизайна.

Практический потенциал органических красителей в составе DSSC-элементов выходит далеко за рамки классического представления о солнечной энергетике как о полях, уставленных темными панелями. Сегодня эта технология находит применение в самых высокотехнологичных и неожиданных сферах:

• Интегрированная в здания фотоэлектрика (BIPV): Благодаря возможности синтезировать красители любого цвета и контролировать степень их прозрачности, DSSC-элементы превращаются в эстетичные архитектурные элементы. Их интегрируют в фасадное остекление небоскребов, витражи и оконные системы, превращая целые здания в автономные генераторы энергии, которые собирают рассеянный свет без ущерба для естественного освещения внутренних пространств.
• Сбор энергии внутри помещений (Ambient Light Harvesting): В отличие от кремния, эффективность которого резко падает при облачности или искусственном освещении, органические красители могут быть «настроены» на спектр поглощения обычных светодиодных (LED) или люминесцентных ламп. Это делает их идеальным источником питания для устройств интернета вещей (IoT), беспроводных датчиков «умного дома» и портативной электроники, полностью исключая необходимость в традиционных батарейках.
• Гибкая и носимая электроника: Органические молекулы наносятся на гибкие полимерные подложки методами рулонной печати (roll-to-roll). В результате создаются легкие, гнущиеся и даже текстильные солнечные элементы, которые можно интегрировать в одежду, туристическое снаряжение или корпуса гаджетов сложной формы.

Таким образом, органические красители для сенсибилизированных солнечных элементов знаменуют собой переход от грубой кремниевой микроэлектроники к тонким молекулярным технологиям, где цвет, свет и форма сливаются в единую энергоэффективную экосистему будущего.

Российские исследователи впервые смогли синтезировать органические красители с уникальными характеристиками, которые возможно применить в составе уникальных сенсибилизированных солнечных элементов. С помощью одного из таких красителей — IS-BTh-1 — удалось достичь КПД солнечных элементов в 4,41%. Как отмечают ученые, это не рекордные показатели, однако крайне воодушевляющие. Описание новых красителей и свойств исследовательский коллектив опубликовал в журнале Dyes and Pigments. Работу ученых поддержал Российский научный фонд (проекты № 22-73-00291). «Мы синтезировали ряд соединений и выявили краситель-лидер. Затем модифицировали его, чтобы получить семейство красителей с заранее заданными свойствами.

Из этого семейства один краситель продемонстрировал наилучшие свойства. Наибольшая эффективность преобразования солнечного света в электрический ток в 4,41% достигнута для элемента на основе красителя, содержащего тиено[3,2-b]индол в качестве электронодонорной части. 4,41% — это не рекорд, но вполне надежный результат», — рассказывает соавтор разработки, руководитель лаборатории перспективных органических материалов Института органического синтеза УрО РАН Александр Степарук.

Красители и солнечные элементы, с которыми работают ученые, имеют ряд преимуществ. Во-первых, красители синтезируют из органических веществ, из-за чего они менее токсичны по сравнению с аналогами, в основе которых металлы. Во-вторых, синтез материалов простой, дешевый и доступный. Он, как поясняют исследователи, позволяет варьировать заместители в структуре красителей и таким образом настраивать оптические, электрохимические и электронные свойства красителей. И в целом сенсибилизированные красителем солнечные элементы — это простые устройства, созданные из недорогих материалов и не требующие дорогостоящего оборудования и технологий. Так, стоимость производства сенсибилизированных солнечных элементов в два раза ниже кремниевых батарей (примерно 100 и 200 долларов за один кв. м).

«Сегодня сенсибилизированные солнечные элементы представляют выгодную альтернативу лидеру рынка — более дорогим и сложным технологиям кремниевых солнечных батарей. За рубежом данное направление крайне актуально и активно развивается. Различные компании работают над созданием, модификацией и продажей таких солнечных панелей. Продают даже готовые наборы для самостоятельного изготовления солнечных элементов для различных целей — от учебных до научных. Кроме того, есть примеры интеграции данных батарей в фасады зданий, создания “умных” теплиц, ферм, гаражей и прочего. Однако на территории РФ в настоящее время ни производств, ни реальных примеров масштабного использования сенсибилизированных красителем солнечных элементов, к сожалению, нет», — констатирует соавтор статьи, доцент кафедры технологии органического синтеза УрФУ Геннадий Русинов.

Ученые уверены, эффективность преобразования солнечного света сенсибилизированными солнечными элементами еще не достигла предела и в будущем может сравняться с кремниевыми солнечными батареями.

«В настоящее время эффективность преобразования энергии в сенсибилизированных солнечных элементах составляет около 10%, рекорд — 14–15%, но с маленькой площади. Полагаю, в перспективе возможно достичь и уровня кремниевых батарей до 24–29%», — добавляет Александр Степарук.

Как поясняют ученые, вариантов применения сенсибилизированных красителем солнечных батарей множество. Их можно использовать, например, для зарядки гаджетов или в индустриальном применении в виде полупрозрачных панелей интегрировать на фасады зданий. Если такие элементы встраивать в стекла, можно получить двойной эффект — защита от шума и попутная электрогенерация. Кроме того, можно добиться улучшения декоративной составляющей за счет панелей различного цвета. При этом для таких панелей не обязателен прямой солнечный свет, достаточно и рассеянного. Их также можно использовать для конверсии света искусственных источников (в настоящее время это крайне актуальное направление в мировой науке).

«Мы измерили эффективность солнечных элементов с нашим красителем при температуре от +10°С до +55°С. В первом случае нам удалось достичь эффективности в 5,38%, но при нагревании мы наблюдали потерю эффективности до 2%, — рассказывает Александр Степарук. — В целом нам с коллегами из ИОНХ РАН и НИУ МИЭТ под руководством Сергея Козюхина и Петра Лазаренко удалось разработать установку, которая позволяет измерять эффективность при различных температурах (от -30 до +60°С). В настоящее время занимаемся данным вопросом, чтобы понять условия эксплуатации данных элементов, причины деградации и другие важные параметры».

В планах ученых — продолжить работу по синтезу новых красителей с заданными свойствами, апробировать их в солнечных элементах, изучить эффективность в условиях искусственных источников света, а также создать элементы с инвертированной структурой, масштабировать технологию.

Отметим, в России аналогичные работы по красителям и сенсибилизированным солнечным элементам ведутся в Институте органической химии Российской академии наук. За рубежом подобные исследования проводятся в Китае, Японии, Южной Корее, США, европейских странах, Бразилии, Египте, Иране.

Над созданием сенсибилизированных панелей работает научный коллектив Института органического синтеза УрО РАН, Уральского федерального университета, Института общей неорганической химии РАН и Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ.

Справка

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы (или ячейки Гретцеля) имеют простую структуру, как правило, состоят из двух электродов и иодсодержащего электролита. Один электрод состоит из высокопористого насыщенного красителем диоксида титана, нанесенного на прозрачную электропроводящую подложку. Другим электродом является прозрачная электропроводящая подложка с тонким слоем платины и/или углерода. Работу ячейки часто сравнивают с фотосинтезом, поскольку оба процесса используют окислительно-восстановительную реакцию, протекающую в электролите.

В России большие проекты в солнечной энергетике стали появляться после принятия в 2013 году правительственной программы, стимулирующей использование объектов возобновляемой энергии на оптовом рынке электроэнергии. В 2020 году принята Энергетическая стратегия РФ, рассчитанная до 2035 года. В ней уточняется, что при благоприятном развитии событий доля возобновляемых источников энергии в российской энергосистеме к этому году достигнет 3–5%.

Архитектура молекулярного будущего и контуры новой энергетики

Развитие сенсибилизированных красителем солнечных элементов (DSSC) знаменует собой фундаментальный сдвиг в философии возобновляемой энергетики. Переход от жестких, энергоемких в производстве кремниевых полупроводников к гибким, молекулярно-конструируемым системам открывает измерения, ранее недоступные для классической фотовольтаики. Органические безметалловые красители доказали свою состоятельность не просто как доступная альтернатива комплексам рутения, но и как самостоятельный высокотехнологичный класс соединений. За счет прецизионной инженерии молекул на уровне архитектуры D–π–A (донор — изолирующий мостик — акцептор) ученым удалось достичь беспрецедентного контроля над процессами переноса заряда, оптическими свойствами и пространственной организацией монослоя на поверхности диоксида титана. Сегодня DSSC-технология переросла статус лабораторного эксперимента и сформировала самостоятельный сегмент рынка, переосмысляющий интеграцию генерации энергии в повседневную жизнь человека.

Перспективы развития: Направления и технологические барьеры

Будущее органических красителей в солнечной индустрии лежит на стыке фундаментальной химии, материаловедения и цифрового проектирования. Ключевые векторы развития технологии на ближайшие десятилетия сосредоточены в следующих направлениях:

• Цифровой дизайн и ИИ-скрининг: Традиционный метод «проб и ошибок» в синтезе красителей сменяется предиктивным моделированием. Нейросети и квантово-химические расчеты (DFT) позволяют виртуально тестировать миллионы молекулярных структур, предсказывая их спектры поглощения и стабильность еще до начала реального синтеза в лаборатории.
• Тандемные и многопереходные системы: Для преодоления теоретического предела эффективности исследователи активно разрабатывают ячейки, где органические красители работают в синергии с другими материалами — например, в качестве верхнего прозрачного слоя в тандеме с кремнием или перовскитами. Это позволяет полнее утилизировать солнечный спектр от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона.

• Переход к твердотельным электролитам (ssDSSC): Одной из главных технологических задач остается полная замена жидких йод-содержащих электролитов на твердые дырочно-транспортные материалы (HTM). Это решает проблему возможной утечки и коррозии, гарантируя элементам десятилетия стабильной работы в экстремальных погодных условиях.

Мировой и Российский опыт исследований и разработок

Технология сенсибилизированных красителем солнечных элементов (DSSC) находится на стадии активной коммерциализации в мире и масштабных фундаментально-прикладных исследований в России. Основными игроками выступают научные консорциумы, гиганты потребительской электроники и узкоспециализированные инновационные стартапы.

Мировые лидеры: индустрия и коммерциализация

В глобальном масштабе фокус сместился с чисто лабораторных тестов на массовое внедрение элементов в IoT-устройства («интернет вещей»), портативную технику и фасады зданий.

• Exeger (Швеция): Один из самых успешных коммерческих игроков. Компания разработала гибкий материал Powerfoyle, который интегрируется в оголовья беспроводных наушников (совместные проекты с Adidas и Urbanista), пульты ДУ и чехлы для планшетов, позволяя им заряжаться от обычного комнатного света.
• Ricoh Company Ltd. (Япония): Промышленный гигант, который первым в мире вывел на рынок полностью твердотельные модули (Solid State DSSC). Линейка модулей RICOH EH DSSC активно применяется для питания офисных датчиков и беспроводных устройств, полностью исключая необходимость использования батареек.
• Fujikura Ltd. (Япония): Высокотехнологичная корпорация, массово производящая DSSC-модули для сенсорных сетей «умных домов» и промышленных датчиков. Они удерживают лидерство по показателям долговечности и стабильной работы в условиях низкой освещенности.
• Solaronix SA (Швейцария): Пионер индустрии, работающий в тесном контакте с лабораторией самого Михаэля Гретцеля. Снабжает мировой рынок специализированными компонентами, химическими материалами и разрабатывает крупноформатные прозрачные фотоэлектрические стекла для фасадов.
• Dyenamo AB (Швеция): Ключевой мировой производитель специализированных безметалловых органических красителей, химикатов и оборудования для тестирования DSSC и перовскитных ячеек.

Развитие технологии в России: научные центры и прорывы

В России технология DSSC развивается преимущественно в рамках академических институтов и ведущих университетов. Российские ученые сосредоточены на двух важнейших задачах: синтезе новых импортозамещающих органических молекул и решении проблемы долговечности ячеек.

• Консорциум ИОС УрО РАН, УрФУ и НИУ МИЭТ:
  Команда исследователей из Института органического синтеза им. И. Я. Постовского УрО РАН (Екатеринбург), Уральского федерального университета и Института перспективных материалов и технологий МИЭТ (Зеленоград) создала линейку эффективных отечественных безметалловых красителей. С использованием созданного ими красителя IS-BTh-1 на основе тиеноиндола ученые достигли стабильного КПД, подтвердив коммерческий потенциал российской молекулярной базы.
• НИУ «МЭИ» (Московский энергетический институт):
  Инженерная группа МЭИ предложила прорывное решение проблемы деградации жидкого электролита. Они разработали токосъемники с интегрированными микроканалами, которые обеспечивают принудительную контролируемую циркуляцию электролита внутри фотоэлемента. Это радикально замедляет старение материалов и продлевает срок службы отечественных DSSC-систем.
• ИФХЭ РАН (Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина):
  Ученые института глубоко исследуют фундаментальные электрохимические процессы на границе раздела «краситель — диоксид титана — электролит». Они занимаются разработкой новых составов полупроводниковых паст и оптимизацией кинетики переноса заряда.
• Сколтех, ФИЦ ПХФ и МХ РАН:
  Хотя данные центры (включая Институт проблем химической физики) лидируют в смежной области перовскитной фотовольтаики, их наработки по полимерным дырочно-транспортным материалам и методам рулонной печати (roll-to-roll) активно адаптируются для создания твердотельных гибких DSSC-элементов.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Каков текущий максимальный КПД солнечных элементов на основе органических красителей?
В лабораторных условиях эффективность преобразования энергии (PCE) для чисто органических безметалловых красителей в жидких DSSC стабильно превышает 13–15%. В условиях искусственного (комнатного) освещения их КПД достигает рекордных 30–34%, что делает их самой эффективной технологией для работы внутри помещений, обходящей по этому показателю кристаллический кремний.

2. Насколько стабильны органические красители под воздействием ультрафиолета? Не выгорят ли они за несколько лет?
Современные органические красители проектируются с учетом жестких требований к фотостабильности. Введение в структуру молекулы объемистых алкильных радикалов и фторированных фрагментов защищает их от агрессивного воздействия УФ-лучей и влаги. Ведущие производители коммерческих DSSC-панелей заявляют о сроке службы устройств до 10–15 лет без существенной деградации при условии качественной герметизации ячейки.

3. В чем главное преимущество DSSC перед стремительно развивающимися перовскитными солнечными элементами?
Хотя перовскиты демонстрируют более высокий КПД под прямым солнцем, они содержат токсичный свинец и крайне чувствительны к влаге, что усложняет их коммерциализацию. DSSC на базе органических красителей полностью экологически безопасны, не требуют токсичных тяжелых металлов, дешевле в производстве и обладают уникальной способностью эффективно генерировать энергию при экстремально малых углах падения света и в глубокой тени.

4. Насколько экологично производство таких красителей и можно ли их утилизировать?
Синтез безметалловых органических красителей базируется на принципах «зеленой химии». Они состоят из распространенных элементов (углерод, водород, азот, сера) и требуют значительно меньше энергии для производства, чем выплавка кремния. Компоненты DSSC-элементов (стекло, диоксид титана, органика) подлежат практически полной вторичной переработке без выделения опасных веществ в окружающую среду.