Олжас Ибрайкулов, специалист в фотовольтаике: «Не хотелось бы, чтобы мы стали сырьевым придатком и в солнечной энергетике»

Возвратившись в Казахстан, Олжас и его коллеги создали первую в стране лабораторию по разработке органических солнечных батарей в Назарбаев Университете. Затем Олжас Ибрайкулов продолжил свое обучение в Страсбурге, где во время PhD достиг странового рекорда по эффективности органической солнечной батареи. Начиная с проектов, относящихся к исключительно фундаментальной науке, Олжас постепенно перешел к исследованиям, которые могут использовать новейшие материалы на практике — главным образом в строительстве, от стеклового покрытия до создания автономных зданий. Сейчас доктор Ибрайкулов работает над созданием гибкого и полупрозрачного материала для перовскитных солнечных батарей в рамках масштабного европейского проекта.

Мы предлагаем нашим читателям проследить путь молодого казахстанского ученого — от нефти до фотовольтаики, от фундаментальной науки к коммерциализации. Возможно, этот пример поможет нашей стране взять правильный курс на зеленую экономику.

Достойная замена для кремния

Уже 12 лет я работаю в сфере солнечной энергетики. Сейчас я нахожусь на стыке науки и индустрии — это не академическая среда, мой проект напрямую связан с рынком возобновляемых технологий. Мой карьерный путь начался с фундаментальной науки, а сейчас я в основном специализируюсь на устройствах для солнечной батареи. С января 2020 года я работаю в организации, которая называется CEA — «Комиссариат по атомным и альтернативным видам энергии». Это государственная структура, созданная Шарлем де Голлем еще в далеком 1945 году. В этой организации есть много институтов, я работаю в INES (Национальном институте солнечной энергии) инженером-исследователем.

Исторически, этот институт — один из мировых лидеров по разработке технологий кремниевых солнечных батарей. Однако сейчас весь мир работает над новыми материалами для фотовольтаики. Наша команда сфокусирована на перовскитных солнечных батареях, названных так из-за своей структуры в честь перовскита — минерала с кристаллами кубической формы, открытого еще в ХIХ веке. Первую такую батарею разработала японская группа в 2009 году с эффективностью (или иными словами КПД) в 3-4%. Это значит, что только 3-4% поступающей от солнца энергии фотонов переводится в итоге в электрическую. А за десять лет эффективность этих батарей выросла до 25%. Вообще перовскитные солнечные батареи — это тонкопленочные батареи. Они очень легкие, гибкие и могут быть полупрозрачными, то есть их можно наносить на окна, тем самым затемняя их и попутно получая энергию. С помощью этой технологии мы хотим занять ту нишу и те задачи, с которыми кремниевые солнечные батареи не смогут справиться. Я не исключаю, что в будущем новые материалы могут и вовсе заменить кремний. Моя цель — разработать гибкие и высокоэффективные солнечные батареи.

Первые ориентиры

Я родом из города Шу, а детство прошло в Таразе. Моя мама 28 лет работает в городской санэпидемстанции. Будучи очень ответственным человеком, она привила нам такие качества, как дисциплина и трудолюбие. Я — первый внук в семье, и когда я родился, мой дедушка вышел на пенсию. Ата и апа посвящали всё свое свободное время моему воспитанию. Я думаю, что мне очень в этом повезло.

В школе мне нравились математика и география. Математику преподавала Гульнар Мустафина и она же была классным руководителем. Мне очень нравилось на ее уроках решать задачи. А география мне нравилась потому, что во время урока можно было посмотреть на карту мира. Раньше ведь дома не было больших карт. Это сейчас можно ее спокойно купить, а тогда карту можно было посмотреть только на уроке географии. Для меня это был весь мир! Я даже соревновался со своим одноклассником в знании столиц. Тогда же я всерьез увлекся футболом и даже играл за сборную школы.

В шестом классе увидел рекламу о наборе в казахско-турецкий лицей. Мне было интересно попробовать. Особенно понравилось, что в экзамене были только вопросы по математике и логике — я не был силен в гуманитарных предметах. С поступлением в КТЛ закончилась моя карьера футболиста, и мне стала по-настоящему интересна учеба. В лицее больше всего мне понравилась химия. Мой учитель по химии и один из самых важных людей в моей жизни Угур Хулуси Патлы — просто гениальный педагог. Меня увлекали его неожиданные решения олимпиадных задач — он выстраивал удивительную по красоте логическую цепочку. Эта школьная база химии помогает мне до сих пор. Мне также понравилось то, что нас учили на разных языках. В седьмом классе у нас было 20 часов английского языка в неделю! Благодаря усилиям еще одного замечательного учителя — Серкана Хастюрка, уже через полгода мы понимали математику и физику на английском. Каждый учитель в лицее своим подходом и просто своей личностью делал свой предмет любимым. Например, учитель биологии Саид Жериан буквально изображал микроба и «заходил в клетку». Для меня мои учителя — это, в первую очередь, пример искренней самоотдачи и качественно сделанной работы.

КБТУ и смена направления

Я окончил школу в 2003 году. Тогда с Алтын Белгі можно было поступить в любой вуз на любую специальность. Мне рассказывали, что нефтяники зарабатывают больше всего. Следуя тогдашней моде, я поступил на химическую технологию нефти и газа, да и школьная химия помогла. Я проходил практику в Атырау, Аксае и Шымкенте. Когда в 2006 году я попал на Карачаганакское месторождение недалеко от города Аксай Западно-Казахстанской области, я понял, что эта профессия не для меня. Каждое утро я просыпался в 5:30 утра из-за резкого запаха тухлых яиц. Это был сероводород. Каким-то образом, даже за 30–40 км этот едкий запах доходил до города Аксай. Мой коллега говорил, что давно уже пора привыкнуть к этому запаху. Но для меня это было странно, я представил, сколько людей живут так всю жизнь. Тогда я впервые задумался: «Почему мы так зациклились на нефти?»

Знакомство с наукой в Японии

На последнем курсе я начал искать лаборатории, которые занимаются исследованиями в солнечной энергетике. Мне понравилась одна группа из Токийского технологического института. Они разрабатывали новые материалы для солнечных батарей. Я решил подать туда на магистратуру и написал профессору. Одновременно с этим мне пришло предложение работы от Тенгизшевройл. Тогда я сделал сознательный выбор в пользу зеленых технологий. В Японию я поехал по программе «Болашак». Как и у многих других болашаковцев, поступить по стипендии мне помогала вся семья — дедушка год собирал пенсию для сдачи TOEFL и поездки на собеседование в Астану, тетя позволила отдать квартиру в залог, а дядя выступил поручителем. Я учился в Токийском технологическом институте два года на факультете органических и полимерных материалов, занимался там получением нановолокон оксида титана, который использовался в качестве полупроводника в тонкоплёночных солнечных батареях, сенсибилизированных красителем (dye-sensitized solar cells). За два года магистратуры мне нужно было взять определенное количество кредитов. Я решил в первый семестр закрыть сразу 23 кредита, чтобы оставшиеся полтора года посвятить проекту. Но это было ошибкой, и я практически ничего, кроме учебы, не успевал. Я потом советовал никому так не делать, потому что нужно реально оценивать свои силы. В Японии многие страдают трудоголизмом, в такой среде работать было непросто. Весь второй год я работал в лаборатории с 12 дня до 4 часов утра, практически без выходных. Я выбрал такой режим, так как, таким образом, хотя бы на несколько часов оборудование было не занято и я мог работать в лаборатории один.

Один из важных параметров для полупроводника в тонкоплёночных солнечных батареях — это эффективная поверхностная площадь. Чем она больше, тем больше красителя адсорбируется на нем. А это значит, что батарея будет способна поглотить большое количество солнечного света. Нановолокна я получал методом электроспиннинга. Я варьировал концентрацию исходного раствора, температуру отжига и напряжение. В зависимости от этого мы пытались понять, как увеличить поверхностную площадь и получить нановолокна с меньшим диаметром.

Наши коллеги из другой лаборатории разрабатывали солнечные батареи на основе наночастиц оксида титана. В рамках сотрудничества с данной группой, мы предложили заменить их наночастицы на наши нановолокна в их солнечных батареях. Одно из существенных преимуществ нановолокон над наночастицами — это более быстрый транспорт зарядов. Оказалось, что эффективность солнечных батарей увеличивается при увеличении процентного содержания нановолокон в материале-полупроводнике. Эти результаты стали основой для моей магистерской диссертации.

Создание лаборатории солнечной энергетики в Назарбаев Университете

В 2011 году, после возвращения, я пришел работать в Назарбаев Университет техником-лаборантом, а вскоре перешел в команду, которая стала работать над созданием Лаборатории по разработке органических солнечных батарей. Изначально у нас было помещение со столами и шкафами. Проектом руководил Галымжан Койшиев, один из первых PhD, защитившихся в США. Он привез проект по созданию лаборатории солнечных батарей второго и третьего поколения. Кремниевые солнечные батареи — это первое поколение, они давно уже изучены вдоль и поперек. Для того чтобы определить четкое направление деятельности, мы работали с зарубежными партнерами.

Сотрудничество с ними стало возможным благодаря нашему руководителю — Байгарину Канату Абдуалиевичу. Его огромная заслуга состоит в том, что он один из редких руководителей в казахстанской науке, который по-настоящему ценит человеческий капитал.

Летом 2011 года мы поехали в командировку в лабораторию Лоуренса Беркли в Калифорнии. Мы провели там три недели и увидели, как функционирует лаборатория, которая занимается органическими солнечными батареями. Перед нами стояла задача изучить весь процесс, понять его, а потом презентовать стратегию создания подобной лаборатории в Назарбаев Университете. Мы решили, что будем развивать органические солнечные батареи и предложили эту идею руководству.

Затем, благодаря сотрудничеству с французской компанией Тоталь, мы поехали на трехмесячную стажировку в Страсбург. На основе страсбургской модели мы построили лабораторию у нас в Назарбаев Университете в 2012 году, и годом позже я начал обучение по программе PhD, проводил исследования в двух зеркальных лабораториях — в Страсбурге и в Астане. В 2014 году мы окончательно укомплектовали лабораторию необходимым оборудованием. Потом прошла реорганизация, некоторые лаборатории объединили или упразднили. К концу 2016 года я окончил докторантуру в Страсбурге, но, к сожалению, моя экспертиза оказалась невостребованной, несмотря на то, что я знал построенную нами лабораторию как свои пять пальцев. Сейчас на этом оборудовании работает группа по перовскитным солнечным батареям. Меня радует уже то, что лаборатория, которую мы построили, используется и приносит результаты.

Об ученых и о самоидентификации

Я сам лично не считаю себя ученым. Я занимаюсь наукой, пытаюсь понять что-то новое. Но в полноценном смысле слова ученым меня назвать тяжело. Для меня ученые — это Леонардо Да Винчи, Дмитрий Иванович Менделеев, Нильс Бор, Каныш Имантаевич Сатпаев, то есть люди, которые открыли или сделали что-то фундаментальное. Такой вот парадокс: чем больше я узнаю, тем глупее я себя чувствую. У меня нет цели открыть что-то великое. Наука для меня — это работа. Просто каждый день нужно как следует работать, и тогда в итоге получится что-то понять.

Стиль работы у ученых Востока и Запада различается. В Японии, как и в Казахстане, сильная иерархия. Там ты будешь делать только то, что захочет твой профессор. Во Франции же хотят, чтобы студент предлагал идеи и сам доказывал свое видение. Они всю ответственность за проект возлагают на докторанта. Здесь работают ученые из разных стран и происходит постоянный обмен мнений и культурного опыта. Это важно для науки. Мне лично импонирует западный стиль, который дает человеку шанс на импровизацию.

Органические солнечные батареи

Во-первых, мы должны понимать, что солнечные батареи — это такие устройства, которые, просто и быстро без никаких дополнительных сложных механизмов, в плане каких-то механических действий, превращают энергию фотонов от солнца в электрическую. Кремний очень хороший материал, к нему нет никаких вопросов. Особенно для использования в космосе кремниевым солнечным батареям равных нет и не будет. Есть несколько фундаментальных отличий кремниевых батарей от органических. Первое: из-за низкого коэффициента абсорбции кремния, для поглощения достаточного количества солнечного света, нужно, чтобы толщина кремния в батарее достигала нескольких сотен микрометров. Из-за этого такие солнечные батареи не могут быть даже полупрозрачными. Органические материалы, за счет высокого коэффициента абсорбции, могут поглотить такое же количество света имея толщину в 100-200 нанометров! Второе фундаментальное отличие — в том, что в кремниевых, при попадании фотонов с энергией выше запрещенной зоны, сразу же образуются свободные заряды. В органических же, при поглощении света образуются промежуточные частицы, так называемые экситоны (нейтральные частицы, пара электрон-дырка). Для их разделения и требуется присутствие двух материалов с разными энергетическими уровнями сродства к электрону. Эта разность в энергетических уровнях и дает ту энергию, которая разделяет экситон на свободные заряды. Эти процессы проходят на границе раздела фаз двух материалов и очень быстро на уровне пару сотен пикосекунд. Эти два материала в органической фотовольтаике мы называем электрон-донорный материал (сродство к электрону слабее) и электрон-акцепторный материал (сродство к электрону сильнее) (Сродство к электрону — способность атома присоединить к себе электрон при котором может выделяться или поглощаться энергия — прим.авт). Наши химики в Страсбурге больше фокусируются на синтезе электрон-донорных материалов. Несколько семейств таких полимеров я исследовал во время своей PhD-диссертации.

Докторантура во Франции

Мой профессор в Страсбурге, Томас Хайзер, говорил мне во время докторантуры: «Ты же хочешь стать самостоятельным ученым, вот и делай всё сам. Если возникнет непонимание, то можешь спросить, но работать и планировать должен ты сам». Я считаю, что это правильно. В 2015 году я написал первую статью по результатам своих исследований. В некоторых лабораториях профессора пишут статьи по результатам работы студента. Мне же Томас сказал, что он в свои 60 лет до сих пор учится писать статьи, а поэтому мне нужно сразу начинать делать это самому.

В лаборатории в Страсбурге мы работали вместе с группой химиков под руководством Николя Леклерка. Они синтезировали фотоактивные полимеры определенного семейства — донорные материалы. Эти полимеры являются фотоактивными (поглощают большую часть видимого спектра) и в определенных условиях могут проводить ток. Моей задачей было определить свойства новых полимеров: оптические свойства, оптоэлектрические свойства, свойства транспорта заряда. Еще одно важное условие: полимер должен быть растворим в органических растворах, чтобы можно было сделать из него тонкую пленку. Наш новый материал был очень тяжело растворим за счет того, что содержал два атома фтора в своем каркасе. Но так как полимер имел длинную боковую алкильную цепь, нам удалось его растворить в орто-дихлорбензоле при 100°C. Наш фторированный полимер, к большому удивлению, показал очень высокую мобильность дырок в вертикальном положении. Дальше с помощью оптимизации процессов разработки солнечных батарей в 2017 году я получил эффективность более 10%. На тот момент это было рекордным значением среди научных групп во Франции. Для того чтобы понять причины высокой мобильности дырок в полимере, нам было важно понять, как полимеры самоорганизованы в пленке и почему. Для этого мы провели комплекс экспериментов на синхротроне в г. Гренобль. В результате данных исследований мы поняли, что наш полимер имеет полукристаллическую структуру с высоким уровнем упорядоченности. Второй и главный вопрос: за счет чего полимерная цепь принимает такую структуру? Мы синтезировали такой же полимер без фторирования, но с такой же длиной алкильной группой, для сравнения. Отправили его на анализ и получили такой же результат, как и для фторированного полимера, но чуть менее упорядоченную структуру. В результате этих экспериментов мы поняли, что фтор на каркасе дает компактность, а нужную конформацию для вертикального транспорта зарядов дает длина боковой алкильной цепи. Эти выводы шли отчасти вразрез со многими другими работами в литературе, которые показывали влияние атомов фтора на каркасе. Но во всех тех работах речь шла о других полимерах, структурно немного отличающихся от нашего. Во время рецензирования нашей работы другими учеными, нам пришлось почти год потратить на то, чтобы доказать свою правоту, и в конце концов удалось опубликовать эту работу. Эта одна из работ, которой я горжусь в том плане, что мы смогли показать другое понимание того, как фторированные полимеры самоорганизуются в тонких пленках.

Ситуация с солнечной энергетикой в Казахстане

В 2013 году мы посещали завод Astana Solar. Они производили солнечные модули. Наш кремний из Уштобе отправляли во Францию, где делали маленькие солнечные ячейки, а их отправляли обратно в Казахстан. На заводе в Астане потом собирали эти ячейки в модули. Вот так это выглядело 8 лет назад, я не знаю, как дела обстоят сейчас. Мы — сырьевой придаток в плане нефти, не хотелось бы, чтобы мы стали таковыми и в солнечной энергетике.

Германия к 2030 году собирается увеличить до 30% долю возобновляемых источников энергии, а к 2050 году — 50%. Для сравнения: в Германии меньше 1500 солнечных часов в год — примерно в два раза меньше, чем у нас в Казахстане. Почему же мы не можем эффективно использовать солнечную энергию? Во-первых, нет достаточной экспертизы.

В Европе существует соответствующее законодательство, налоговые послабления для бизнеса, где используется возобновляемая энергия. У нас есть энергоемкие бизнесы, которые потребляют много энергии. Но финансирование и законодательная база — это второстепенные вопросы. Экспертиза прежде всего. Как говорил кот Матроскин: «Средства у нас есть. У нас ума не хватает».

Развитие фундаментальной науки в Казахстане

Сама по себе коммерциализация научных исследований — это не плохо, но, на мой взгляд, немного странно, когда коммерциализация становится главной целью науки. Все-таки фундаментальная наука — это основа, в первую очередь, для развития человеческого капитала, для появления новых идей. А коммерциализация — это уже побочный эффект от занятия фундаментальной наукой. Для блестящей идеи нужны конкретные знания. Государство ничего не потеряет, если будет вкладывать в фундаментальную науку.

В нашей казахстанской науке совершенно непонятное управление кадрами. Реальные ученые с хорошими результатами вынуждены бороться за место под солнцем, в то время как люди с фейк-наградами и даже плагиаторы до сих пор тратят государственный бюджет. В такого рода академической среде очень сложно добиться реальных результатов, не отвлекаясь на скандалы. И дело даже не в финансировании. Когда есть качественные кадры, они будут решать всё. У нас много ученых из Казахстана, которые много что делают в мировой науке, но нужно их смотивировать вернуться обратно, в первую очередь, честным подходом к отбору кадров.

Казахстанская наука: пациент скорее жив или мертв?

Пациент еще жив, но только благодаря усилиям отдельных ученых. Ведь нужно отличать людей, которые делают науку, и тех, кто руководит ей. Я считаю, что руководить наукой в стране должны те люди, которые на определенном этапе своей карьеры активно занимались настоящей наукой. И второй важный момент: пока мы не отделим зерна от плевел, настоящих исследователей от псевдоученых, казахстанской науке будет очень тяжело.

Данная публикация стала возможной благодаря помощи американского народа, оказанной через Агентство США по международному развитию (USAID) в период с 05.03.2021 по 04.07.2021, и был подготовлен в рамках «Центральноазиатской программы MediaCAMP», реализуемой Internews при финансовой поддержке USAID. Проект «Gylym Faces» несёт ответственность за её содержание, которое не обязательно отражает позицию USAID, Правительства США или Internews.

USAID является ведущим международным агентством развития и выступает катализатором достижения устойчивого развития. Деятельность USAID направлена на продвижение национальной безопасности США и экономического процветания, демонстрирует щедрость американского народа, способствует достижению самообеспеченности и жизнестойкости стран-бенефициаров.