Новости: Перст

Органическая электроника

Ожидается, что электронные устройства на основе органических материалов в недалеком будущем составят серьезную конкуренцию обычной кремниевой электронике (воображение рисует, например, тонкие легкие дисплеи, которые можно будет свернуть в трубку или несколько раз сложить и сунуть в карман). Характеристики некоторых таких устройств уже сегодня лучше, чем у их кремниевых аналогов. Но пока эти устройства – штучная работа. Сегодня главным барьером на пути органической электроники является отсутствие дешевой технологии массового производства. Требуется разработать методики быстрого контролируемого осаждения органических веществ на поверхность диэлектрика, так чтобы они образовывали определенный “рисунок”. Одна такая методика предложена в работе американских ученых из National Institute of Standards and Technology, Pennsylvania State University и University of Kentucky [1]. Она основана на самоорганизации органических молекул (производных ацена) на поверхности, обработанной тиол-пентафторбензолом. Весь процесс осуществляется при комнатной температуре. В [1] были изготовлены полевые транзисторы и различные органические цепи с подвижностью носителей (0.1-0.2) см²В^-1с^-1. Органическая электроника близка к выходу на рынок.

Л.Опенов

1. D.J.Gundlach et al., Nature Mater. 7, 216 (2008).

Существует ли фуллерит C₂₀?

На “поверхности” фуллерена C₂₀ связи С-С между соседними атомами углерода образуют только пятиугольники, а шестиугольники (в отличие от хорошо изученного фуллерена C₆₀) отсутствуют. Этот кластер – самый маленький из возможных фуллеренов. Он был открыт 8 лет назад в газовой фазе, и с той поры не прекращаются попытки изготовить твердое вещество – фуллерит – на его основе (по аналогии с фуллеритом из фуллеренов C₆₀). Интерес к фуллериту C₂₀ обусловлен, в том числе, перспективой достижения в нем более высоких, чем в фуллерите C_60, температур сверхпроводящего перехода, (предсказывается значительное усиление электрон-фононного взаимодействия по мере уменьшения размеров фуллеренов). Имеющиеся в литературе экспериментальные данные [2,3] о синтезе фуллерита C₂₀ остаются неподтвержденными. Тем временем теоретики, используя современные расчетные методики, пытаются предсказать структуру трехмерных кристаллов из фуллеренов C₂₀ [4-6]. Единого мнения о наиболее энергетически выгодной структуре пока нет, что связано, возможно, с наличием нескольких близких по энергии атомных конфигураций.

В работе [7] представлены результаты моделирования квазидвумерных комплексов (то есть фактически фрагментов пленок) на основе фуллеренов C₂₀. Определены типы межкластерных связей, отвечающих максимальной величине энергии связи фуллеренов в таких комплексах. Непосредственный расчет температурной зависимости времени жизни этих комплексов, выполненный методом молекулярной динамики, показал, что хотя они и являются метастабильными, но характеризуются очень большой высотой энергетического барьера (около 2.5 эВ), препятствующего их переходу в конфигурации с более низкой энергией. Поэтому даже при комнатной температуре такие структуры могут оказаться очень устойчивыми. Для их изготовления нужно подобрать материал подложки так, чтобы минимизировать разрушающее действие подложки на фуллерены в процессе формирования пленки. Интересно, что сообщение о синтезе “кластерных пленок”, содержащих смесь фуллеренов C_n с n = 20 ¸ 32 [8] появилось задолго до “официального” открытия фуллерена C₂₀ [1]. Может быть, модифицируя соответствующим образом использованную в [8] методику (осаждение кластеров из низкоэнергетического пучка), удастся изготовить и пленки C₂₀ без примесей других фуллеренов?

1. H.Prinzbach et al., Nature 407, 60 (2000).
2. Z.Wang et al., Phys. Lett. A 280, 351 (2001).
3. Z.Iqbal et al., Eur. Phys. J. B 31, 509 (2003).
4. Y.Miyamoto, M. Saito, Phys. Rev. B 63, 161401 (2001).
5. S.Okada et al., Phys. Rev. B 64, 245405 (2001).
6. Z.Chen et al., Chem. Eur. J 10, 963 (2004).
7. И.В.Давыдов и др., Письма в ЖЭТФ 87, 447 (2008).
8. V.Paillard et al., Phys. Rev. B 49, 11433 (1994).

Солнечная энергетика (альтернативное мнение)

Всеобщее солнечное настроение в мире по поводу солнечной энергетики могут несколько подпортить последние решения правительства Германии о возможном сокращении субсидий в эту бурно развивающуюся отрасль энергетики. Именно введенные в Германии низкие тарифы на солнечное электричество способствовали резкому старту и быстрому росту новой промышленности. Тем временем над самой солнечной энергетикой в Германии сгущаются тучи.

Действительно, Германия, не будучи богатой солнцем страной, казалось бы, занимает странное место лидера в солнечной энергетике. Страна является ведущей в мире по емкости установленных источников возобновляемой энергии и занимает третье место как производитель солнечных панелей после Китая и Японии. Доля электроэнергии, генерируемой здесь возобновляемыми источниками, в 2007 г. достигла 14.2% (в сравнении с 11.7% в 2006 г.) [4]. Компания Q-Cells, основанная вблизи г. Wolfen (севернее Лейпцига), является одной из самых больших в мире производителей фотовольтаических ячеек для солнечных панелей. Исследованиями и разработками в области солнечной энергетики в Германии в той или иной степени занимаются около 160 институтов.

Конечно, максимальное количество электроэнергии в Германии поступает от сжигания угля и от атомных электростанций. Но уголь, как источник электроэнергии, становится все более непопулярным с экологической точки зрения, а атомные электростанции - из-за боязни катастроф. В 1991г. в Германии был принят закон, в рамках которого государство допускало различные формы поддержки компаний, инвестирующих средства в возобновляемые источники электроэнергии. В соответствии с этим законом, электроэнергия, производимая на возобновляемых источниках, продавалась по заниженным и постоянным в течение 20 лет тарифам. Так, например, электроэнергия от фотовольтаических систем, установленных на крышах домов в 2007 г., может продаваться по 0.49 евро за кВт∙час (в 7 раз ниже текущего тарифа) вплоть до 2027 г. Фиксированная цена позволяет инвестору прогнозировать возможные расходы и доходы.

Но правительство Германии дрогнуло (возможно, под влиянием обойденных субсидиями производителей других источников электроэнергии) и предлагает пересмотреть закон 1991 г., что может привести к сдвигу от солнечной энергетики к другим видам возобновляемых источников, таким, например, как ветряные установки. По новым предложениям, тариф на солнечное электричество будет возрастать. Возможно, новые предложения правительства заставят производителей солнечных панелей снизить стоимость их производства, чтобы не проиграть в конкуренции с другими энергетическими источниками. Под влиянием всеобщего солнечного ажиотажа возник дефицит сырьевого кремния для производства солнечных ячеек, что привело к его резкому удорожанию (от 25 долл./кг в 2003 г. до 400 долл./кг сегодня). В результате только в 2007 г. в мире, в том числе и в России¹ [5], было основано более 20 новых производств, призванных ликвидировать дисбаланс в производстве и спросе, и снизить стоимость кремниевого сырья.

Пока правительство Германии налаживает ситуацию с тарифами, «солнечные» производители тоже не дремлют. Многие, считая кремниевые ячейки дорогими, начинают параллельно активнее развивать тонкопленочные технологии. Сохраняется надежда, что немецкие чистые технологии смогут выжить без дополнительных субсидий со стороны государства. Решается проблема хранения накопленной в солнечные дни электроэнергии для использования в ночное время и в пасмурные дни.

Жесткое мнение о будущем солнечной энергетики (в частности, о вреде солнечного бума для развития этой промышленности) выразил Arthur W. Zafiropoulo, председатель, президент и исполнительный директор компании Ultratech² (San Jose, Калифорния, США) в интервью International Semiconductor [6]. Ниже – некоторые цитаты из его интервью:

- “Фотовольтаическая солнечная энергетика не является безальтернативным решением энергетических проблем, конструктивнее сосредоточиться на ядерной энергетике и топливных ячейках для автомобилей”.

- “Конечно, солнечная энергетика будет иметь свою нишу, но ее стоимость значительно выше, чем у ветряных установок и гидроэлектростанций. Сейчас это направление исследований, разработок и производства выживает только благодаря государственным субсидиям. Как только закончатся субсидии, интерес к солнцу сразу снизится”.

- “По мере роста цен на нефть в длительной перспективе необходимо сосредоточиться на ядерной энергетике, а такие ресурсы, как фотовольтаические, геотермальные, ветряные и водные смогут служить только в качестве добавок к ней”.

- “Когда я недавно был в Шанхае, одна местная газета поместила статью о стоимости кВт электрической энергии от различных источников. Сегодняшняя стоимость от угольных, атомных и солнечных источников электроэнергии – 0.05, 0.07 и 3.9 долл./кВт, соответственно. Затем рассматривается удельная стоимость самих этих источников: атомный источник - 8000 долл./кВт, угольный - 6000 долл./кВт и солнечный – от 60000 до 70000 долл./кВт. Может ли стоимость быть снижена? Определенно! Может ли она быть снижена на порядки величины? Я не думаю, что это так. Правительства сейчас оплачивают 90% инвестиций. Думаю, что Европа года через два откажется от солнечной идеи. Неотступно будут ей следовать только Индия и Китай – у них так много солнца”.

После нескольких лет немецкого доминирования среди мировых производителей солнечных ячеек в 2007 г. первенство перешло к Китаю (Китай в 2007 г. произвел солнечных ячеек общей емкостью 1200 МВт против 875 МВт, сделанных в Германии). Китайская компания-производитель солнечных модулей Suntech увеличила производство на 110%. Этим серьезным скачком Suntech обязана не потребностью таких солнечных стран, как сам Китай, Тайвань или Индия, а значительными продажами в страны Европы и, в основном, в Германию [7].

Высокий спрос на солнечные панели в Германии удерживает высокие цены на них во всем мире, даже в «солнечных» странах, в которых генерируемая солнечными элементами электроэнергия могла бы быть более дешевой.

По мнению многочисленных фанатов солнечной энергетики, если под влиянием решений правительства Германии и произойдет сдвиг к ветряным установкам, он долго не удержится. У ветряков (в отличие от солнечных элементов³) нет большого потенциала для развития. В конце концов, солнце свое возьмет (точнее, отдаст).

___________________________________

¹Недостаток поликристаллического кремния для солнечной технологии на мировом рынке расшевелил и Россию. Здесь планируют создать 7 новых заводов по его производству. Самый большой завод, Nitol Solar, вблизи Иркутска, уже приступил к производству с января с.г. К 2009 г. производительность Nitol должна достичь 3700 тонн поликремния в год. Технический партнер Nitol - GT Solar (Merrimack, Нью-Хэмшир, США), производитель реакторов для синтеза поликремния. Nitol недавно подписала соглашение с Evergreen Solar (Marlboro, Массачусетс, США) на поставку в течение 7 лет, начиная с 2009 г., поликремния для солнечного производства. Другие российские компании, планирующие основать заводы поликремния - Russian Silicon, Renova Orgsyntes, Podolsky, Baltic Silicon Valley и Synthetic Technologies. В планы включено производство поликремния, исходного сырья, солнечных ячеек, модулей и преобразователей для национального и мирового рынков [5].

²Ultratech, Inc. – компания, производящая литографическое и лазерное оборудование для микро- и наноэлектроники.

³Например, группа исследователей из отделения радиофизики и физической электроники физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова разработала и запатентовала наноматериал на основе углерода. Особые свойства нового материала позволяют создать дешевый, простой и эффективный термоэлектронный преобразователь - ключевой узел электрогенерирующей гелиостанции нового поколения (этот проект вышел во второй тур проходящего сейчас седьмого Конкурса русских инноваций). Теоретические расчеты ученых показали возможность достижения КПД солнечной станции не менее 50% [8] (о такой эффективности пока даже не мечтают сегодняшние изготовители фотовольтаических солнечных ячеек, достигнув 20% на кремнии и 26% на арсениде галлия).

[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]