Уникальный Солнечной Батарее

На сегодняшний день солнечные батареи на основе кремния – далеко не финал на пути обуздания энергии солнечного света и ее преобразования в полезную электрическую энергию. Многие работы ведутся учеными до сих пор, и в этой статье мы рассмотрим пять необычных решений, разработками которых занимаются некоторые из современных исследователей.

В американской национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) построена солнечная батарея на основе полупроводниковых кристаллов, размеры которых не превышают нескольких нанометров , это так называемые квантовые точки. Образец уже является рекордсменом по показателям внешней и внутренней квантовой эффективности, которые составили соответственно 114% и 130%.

Эти характеристики показывают отношение количества генерируемых пар электронов-дырок к количеству падающих на образец фотонов (внешняя квантовая эффективность) и отношение количества генерируемых электронов к количеству поглощенных фотонов (внутренняя квантовая эффективность) для определенной частоты.

Внешняя квантовая эффективность меньше внутренней, поскольку не все поглощенные фотоны участвуют в генерации, а часть фотонов, падающих на панель, просто отражается.

Образец состоит из следующих частей: стекло в просветляющим покрытием, слой прозрачного проводника, далее наноструктурированные слои оксида цинка и квантовых точек селенида свинца, затем этандитиол и гидразин, а в качестве верхнего электрода тонкий слой золота.

Суммарный КПД такой ячейки составляет около 4,5%, но этого достаточно для экспериментально полученной достаточно высокой квантовой эффективности данного сочетания материалов, и значит впереди оптимизация и совершенствование.

Еще ни один солнечный элемент не показывал внешнюю квантовую эффективность выше 100%, в то время как уникальность данной разработки NREL и заключается в том, что каждый фотон, упавший на батарею создает на выходе больше одной пары электрон-дырка.

5 необычных солнечных батарей будущего

Причиной успеха послужила множественная генерация экситонов (MEG), — эффект, который впервые использован для создания полноценной солнечной батареи, способной генерировать электричество. Интенсивность эффекта связана с параметрами материала, с шириной запрещенной зоны в полупроводнике, а также с энергией падающего фотона.

Решающее значение имеет размер кристалла, поскольку именно в пределах крошечного объема квантовые точки ограничивают носители заряда, и могут собирать избыточную энергию, иначе эта энергия бы просто терялась в виде тепла.

В лаборатории считают, что элементы на основе эффекта MEG – весьма достойные претенденты на звание солнечных батарей нового поколения.

Еще один необычный подход к созданию солнечных батарей предложил Прашант Камат из университета Нотр-Дама. Его группа разработала краску на основе квантовых точек диоксида титана, покрытых сульфидом кадмия и селенидом кадмия, в форме водно-спиртовой смеси.

Паста была нанесена на пластинку из стекла с проводящим слоем, затем был проведен обжиг, и в результате получилась фотогальваническая батарея. Подложке, превращенной в фотоэлектрическую панель, требуется только электрод сверху, и можно получать электрический ток, поместив ее на солнце.

5 необычных солнечных батарей будущего

Ученые полагают, что в будущем можно будет создать краску для автомобилей и для домов, и таким образом превратить, скажем, крышу дома, или кузов автомобиля, покрашенные этой особой краской, в солнечные панели. Это и является главной целью исследователей.

5 необычных солнечных батарей будущего

Хоть КПД и не высок, всего 1%, что в 15 раз меньше обычных кремниевых панелей, солнечная краска может быть произведена в больших объемах, и очень недорого. Так могут быть удовлетворены энергетические потребности в будущем, считают химики из группы Камат, называющие свое детище «Sun-Believable» , что в переводе обозначает «Солнечно-вероятный».

Следующий необычный способ преобразования солнечной энергии предлагают в Массачусетском технологическом институте. Андреас Мершин с коллегами создали экспериментальные батареи на основе комплекса биологических молекул, способных «собирать» свет.

Фотосистема PS-1, заимствованная у цианобактерии Thermosynechococcus elongatus, была предложена молекулярным биологом Шугуаном Чжаном и несколькими его единомышленниками еще за 8 лет до начала нынешних экспериментов Андреасом Мершиным.

КПД систем получился всего около 0,1%, однако это уже важный шаг на пути массового внедрения в быт, ведь затраты на создание таких устройств чрезвычайно низки, и вообще, биологические батареи могут создавать сами их владельцы, используя набор химических реактивов и стог свежескошенной травы. А между тем, ряд усовершенствований позволит поднять КПД до 1-2%, т.е. до коммерчески жизнеспособного уровня.

5 необычных солнечных батарей будущего

Прежние подобные ячейки с фотосистемами могли приемлемо работать только под светом лазера, сконцентрированным строго на ячейке, и то лишь в узком диапазоне длин волн. К тому же были нужны дорогие химические вещества и лабораторные условия.

Еще одной проблемой было то, что извлеченные из растений молекулярные комплексы не могли существовать долго. Теперь же команда института разработала набор поверхностно активных пептидов, обволакивающих систему, и сохраняющих ее на долгое время.

Повышая эффективность сбора света, команда Массачусетского технологического института решила проблему защиты фотосистем от ультрафиолета, который раньше повреждал фотосистему.

5 необычных солнечных батарей будущего

PS-1 высеивали теперь не на гладкой подложке, а на поверхности с очень большой эффективной площадью, это были трубки диоксида титана толщиной 3,8 мкм с порами в 60 нм, и плотные стержни оксида цинка, высотой несколько микрометров и диаметром в несколько сотен нанометров.

5 необычных солнечных батарей будущего

Эти варианты фотоанода позволили увеличить количество молекул хлорофилла под светом, и защитили комплексы PS-1 от ультрафиолетовых лучей, поскольку оба материала хорошо их поглощают. К тому же титановые трубки и цинковые стержни играют еще и роль каркаса и выполняют функцию переносчиков электронов, в то время как PS-1 собирает свет, усваивает его, и разделяет заряды, как это происходит в живых клетках.

Выставленная на солнце ячейка дала напряжение в 0,5 вольта при удельной мощности в 81 микроватт на один квадратный сантиметр и плотности фототока 362 мкА на квадратный сантиметр, что в 10 раз выше, чем у любой другой, известной ранее, биофотовольтаики на основе натуральных фотосистем.

Теперь поговорим о солнечных батареях на основе органических полимеров. Если наладить их массовое производство, то они окажутся значительно дешевле кремниевых конкурентов, при том, что уже достигнут КПД в 10,9%. Тандемная полимерная солнечная батарея , созданная группой ученых из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), имеет несколько слоев, каждый из которых работает со своей частью спектра.

Удачное сочетание разных веществ, не мешающих друг другу при совместной работе, — вот наиболее важный момент. Именно для этого авторы специально разработали сопряженные полимеры с низкой запрещенной зоной.

5 необычных солнечных батарей будущего

В 2011 году ученым удалось получить такую однослойную полимерную ячейку с КПД 6%, в то время как тандемная ячейка показала КПД 8,62%. Работая дальше, исследователи задались целью расширить диапазон рабочего спектра в инфракрасную область, и им пришлось добавить полимер японской компании Sumitomo Chemical, благодаря которому и удалось достичь КПД 10,9%.

5 необычных солнечных батарей будущего

Эта наиболее успешная конструкция состоит из передней ячейки из материала с большой запрещённой зоной, и из задней ячейки, у которой запрещённая зона узкая. Авторы разработки утверждают, что создание такого преобразователя, включая стоимость материалов, не очень дорого, к тому же сама технология совместима с выпускаемыми сегодня тонкопленочными солнечными батареями.

Похоже, что в ближайшие несколько лет солнечные батареи на основе органических полимеров станут коммерчески жизнеспособными, ведь разработчики планируют повысить их КПД до 15%, то есть до уровня кремниевых.

Завершают обзор супер тонкие солнечные батареи, обладающие толщиной в 1,9 мкм , что в 10 раз тоньше любых других, созданных ранее, тонкопленочных батарей. Совместными усилиями японских и австрийских ученых, создана тонкая органическая необычайно гибкая солнечная батарея. На демонстрации изделие было обернуто вокруг человеческого волоса диаметром 70мкм.

5 необычных солнечных батарей будущего

Для изготовления батареи были применены традиционные материалы, однако подложка была изготовлена из полиэтилентерефталата толщиной 1,4 мкм. При КПД 4,2%, удельная мощность новой солнечной батареи составила 10 Ватт на грамм, что в целом в 1000 раз превосходит соответствующий показатель батарей на основе мультикристаллического кремния.

5 необычных солнечных батарей будущего

В связи с этим представляется перспективным развитие таких направлений, как «умный текстиль» и «умная кожа», где в дополнение к солнечным батареям могут присутствовать и электронные микросхемы, созданные по аналогичной технологии, столь же тонкие и гибкие.

На сайте Электрик Инфо:

Донат на развитие проекта Электрик Инфо: Пожертвование на развитие сайта

Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Отзывы и мнения о товарах и услугах