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.
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.
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.
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/
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.
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.
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.
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.
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%.
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.
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.
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.
Отсюда
