Ученые из МИСиС разработали гибкую солнечную батарею втрое дешевле кремниевых панелей

Источник: http://tass.ru/nauka/3193630

МОСКВА, 11 апреля. /ТАСС/. Ученые из Научно-исследовательского технологического университета «МИСиС» совместно с коллегами из университета Техаса в Далласе разработали гибкую солнечную батарею на основе металло-органического соединения, стоимость которой по меньшей мере втрое ниже кремниевых панелей, сообщает пресс-служба университета.

Разработанная учеными НИТУ «МИСиС» гибкая солнечная батарея

«Группа ученых НИТУ «МИСиС» под руководством профессора Анвара Захидова представила технологию создания тонкопленочного фотоэлемента на основе гибридного металл- органического соединения — перовскита, позволяющего преобразовывать энергию солнечного излучения в электрическую с КПД выше 15%, при планируемых показателях более 20%… На сегодняшний день расчетная стоимость квадратного метра перовскитных солнечных панелей составляет менее 100 долларов США, тогда как квадратный метр лучших кремниевых обходится в 300 долларов США. В массовом производстве разница станет 4-6-кратной», — говорится в сообщении.

Солнечные батареи на основе кремния отличаются высокой стоимостью из-за высокотехнологичного, энергоемкого и токсичного производства кремния. Кроме того, они значительно более хрупкие и менее гибкие по сравнению с разработкой российских ученых. Особенность же перовскитной технологии в том, что активные слои солнечных элементов на его основе можно наносить из жидких растворов на тонкие и гибкие подложки. Это позволяет размещать солнечные батареи на поверхностях любой кривизны: оконные полупрозрачные «энергошторы» домов и машин, фасады и крыши зданий, бытовая электроника и многое другое.

«Главным преимуществом гибридных перовскитов является простота их получения из обычных солей металлов и промышленных химических органических соединений, а не из дорогих и редких элементов, используемых в высокоэффективных полупроводниковых аналогах, таких, как солнечные батареи на основе кремния и арсенида галлия. Не менее важно, что материалы на основе перовскита могут быть использованы для печати фото-электроники не только на стекло, но и на другие материалы и поверхности. Это делает батареи гораздо дешевле, чем при более сложных способах получения тонкопленочных солнечных элементов», — сказал Захидов, слова которого приводятся в сообщении.

Существенное снижение стоимости производства солнечных батарей будет способствовать увеличению доли экологически чистых, возобновляемых источников энергии в общем энергетическом «пироге».

Российские ученые разработают пластичные солнечные батареи нового типа

Источник: http://tass.ru/ural-news/3174602

ЕКАТЕРИНБУРГ, 4 апреля. /ТАСС/. Российские ученые планируют разработать первые опытные образцы пластичных солнечных батарей нового поколения к 2018 году, сообщил корр. ТАСС научный сотрудник Управления по научной инновационной деятельности Южно-Уральского государственного университета Олег Большаков. Проект реализуется при грантовой поддержке Российского научного фонда.

«Совместно с коллегами из московского Института органической химии мы работаем над созданием пластичных тонкопленочных солнечных батарей нового поколения уже в течение 1,5 лет. Первая партия материала для солнечных батарей уже готова, она будут тестироваться на протяжении 2-3 месяцев в специальной лаборатории при университете Эдинбурга в Шотландии», — сказал Большаков. «В России пока необходимых сертифицированных лабораторий нет, поэтому мы обратились к зарубежным специалистам. По плану к 2018 году мы выпустим первые опытные образцы», — добавил он.

По словам ученых, главная особенность солнечных батарей нового типа — органический светочувствительный материал. «Такие батареи не будут токсичными, также они не требуют большого количества светочувствительного материала — в 1000 раз меньше по сравнению с батареями предыдущих поколений, поэтому они будут и наиболее доступными по цене. По этим причинам разработки в этом направлении ведутся по всему миру. Но аналогов нашей технологии пока нет, так что реализация нашего проекта даст нам большие преимущества в альтернативной энергетики будущего», — добавил Большаков.

Он также отметил, что на данный момент специалистам предстоит выявить статистическую зависимость между структурой материалов и эффективностью. «Каждый фотоэлемент характеризуется двумя основными параметрами — устойчивостью и энергоэффективностью. Необходимо определить наиболее удачные варианты из тех, которые мы отправили в лабораторию, после чего их уже можно будет применять к различным поверхностям. Дальнейшая научная работа будет связана с усовершенствованием материалов», — пояснил ученый.

Мир уверенно движется к революции в энергосберегающих технологиях. Одно из последних достижений в этой области принадлежит Международной исследовательской группе, которую образовал Университет Техаса в Далласе и Московский институт стали и сплавов (МИСиС). Ученые разработали метод создания солнечной батареи на базе перовскита. В отличие от традиционных аналогов, которые основаны на кремнии, эффективность новинки намного выше. При этом себестоимость солнечной батареи будущего снижается. Исследователи уверены, что пластичные, легкие, доступные по цене устройства из перовскита со временем найдут широкое применение, будут востребованы и полностью вытеснят устаревшие кремневые аналоги.

Анализ кремниевых солнечных батарей начали еще в двадцатом столетии.

Существующая технология имеет ряд недостатков. Это токсичность и энергоемкость производства кремния. Поэтому процесс и получается дорогостоящим. А еще кремний отличается ненадежностью, недостаточной пластичностью и большим весом панелей. Поэтому сфера применения этого химического элемента слишком узкая. За прогнозами ученых, решить все эти проблемы сможет металло-органический перовскит.

Новое исследование позволило плодотворно поработать над прототипом тандемного устройства, которое состоит из углеродных нанотрубок и фотоэлектрических составляющих. Эта разработка предусматривает сочетание частей из перовскита и традиционного кремния. Установка эффективно преобразует доступные ультрафиолетовые лучи в электричество и повышает коэффициент полезного действия батареи на 15%.

— Основное достоинство гибридного перовскита – это легкость его добывания из стандартных источников: органических химсоединений промышленного образца и солей металлов. В то время как высокоэффективные полупроводниковые аналоги в виде солнечных батарей, основанные на арсенидегаллия и кремнии, получают из нераспространенных и дорогостоящих элементов, — было отмечено руководителем проекта, ведущим экспертом университета МИСиС и профессором Анваром Захидовым.

Также немаловажный фактор заключается в том, что основы на перовските при печати фотоэлектроникине ограничиваются печатью на стекле. Это существенно удешевляет батареи нового образца по сравнению с более сложными способами создания составляющих из тонкой пленки. Данные составляющие из перовскита имеют активные ярусы. Они без проблем наносятся даже на самые пластичные и тонкие подложки. А современная рулонная методика делает возможным размещение солнечных батарей на поверхности всевозможной кривизны. Учитывая все эти преимущества, сфера применения инновационных батарей расширяется и выходит далеко за рамки использования традиционных кремниевых аналогов. Разработка может снабжать природной энергией портативную электронную и бытовую технику, реализоваться в проекте «Умный дом» и т.д. Батареи на базе перовскита гарантируют бесперебойную подачу электрической энергии в жилье. Также инновация подходит для автомобильной промышленности.

Ученые во всем мире работают над созданием новых солнечных батарей, которые при высокой эффективности могли бы принимать различные формы и широко использоваться при строительстве в строительной индустрии. Каждая новая разработка, каждое новое достижение ученых, каждое новое поколение солнечных батарей – это пусть небольшой, но шаг вперед, это своеобразный прорыв в деле освоения альтернативных источников энергии, которые позволят снизить зависимость человечества от традиционных ископаемых энергоносителей.

Будущее фотовольтаики: три перспективных направления

1.Прозрачные солнечные батареи

Австралийская компания Dyesol работает, как она заявила, над фотоэлектрической системой будущего. Основой этой системы являются так называемые «гретцель-ячейки» - разноцветные солнечные ячейки. Своим названием они обязаны человеку, который их изобрел, – химику Майклу Гретцелю, запатентовавшему эти ячейки еще в 1992 году. Эти ячейки функционируют аналогично тому, как функционируют зеленые листья растений. Краситель, содержащийся в материале этих ячеек, реагирует на свет и создает тем самым разность потенциалов на поверхности пленки. Гретцель-ячейки почти прозрачны и могут быть использованы в различных покрытиях. Это делает их гибкими, а область применения практически не ограничена.

Разноцветные гретцель-ячейки на фасаде нового Конференц-центра в Лозане.

Самое большое преимущество этих ячеек заключается в том, что они дешевые, экологически чистые, работают даже от рассеянного света и при неблагоприятных углах падения солнечных лучей. Однако для их полноценного практического применения требуются дополнительные исследования. Дело в том, эффективность этих ячеек пока не превышает 15%, что значительно ниже аналогичных показателей у кремниевых гелиевых элементов. Тем не менее теоретические расчеты показывают, что при соответствующих технологиях эффективность гретцель-ячеек может достигнуть 31%. И тогда в самом недалеком будущем можно ожидать появление домов, стены которых покрыты краской, генерирующей электричество.

2.Фотовольтаика, воплощенная в камне

Исследовательская лаборатория немецкого университета из города Кассель под руководством профессора Хайке Клуссманна, продолжая работы, начатые Гретцелем, в своих изысканиях пошли намного дальше. В лаборатории был разработан строительный материал, сочетающий в себе свойства бетона и гелиевой ячейки.

Этот новый материал его создатели назвали DysCrete. Как поясняют исследователи, бетон в данном случае выполняет функции электрода, в то время как искусственный фотосинтез происходит в красителях, изготовленных на базе фруктовых экстрактов. В самом начале исследовательская группа экспериментировала даже с соком черной смородины, пока разработчики не нашли более эффективные красители.

Эксперименты с красными красителями и бетоном в университете Касселя.

Руководитель проекта профессор Хайке Клуссманн говорит: «Наша цель состоит в том, чтобы разработать материал, который в будущем найдет широкое применение в строительной отрасли, например, для сборных элементов при возведении зданий и сооружений, в качестве фасадных элементов, новых компонентов стен».

3.Рулонные солнечные ячейки

Тонкие, гибкие и очень дешевые. Таковы характеристики гелиевой фольги и гелиевой бумаги. Немецкая компания Heliatek выпустила пленку, толщина которой значительно меньше миллиметра. Эта пленка сохраняет свою электрическую эффективность даже в условиях плохой освещенности и высоких температур. В настоящее время серьезные исследования и эксперименты с гелиевой бумагой проводит технический университет в городе Хемниц.

Исследователи экспериментируют с бумажно-пленочными солнечными модулями.

С нормальной техникой печати светочувствительный слой может быть нанесен на бумагу. При этом в лабораториях университета уже получены достаточно обнадеживающие результаты. На сегодняшний день речь идет о напряжении в 4 вольта и коэффициенте полезного действия 1.3%. Но это только начало работ. Теоретические расчеты показывают достижение показателя эффективности, сопоставимого с аналогичными показателями кремниевых солнечных элементов. 3PV (Printed Paper Photo Voltaics) – (Печать Бумага Фото Вольтаика) – так назвали ученые свое открытие.

Взгляд в будущее: наноструктуры с переменным показателем преломления

В голландском городе Эйндховен в институте AMOLF фотоники и нанофизики полупроводников лаборатория под руководством профессора Джейми Гомеса Риваса проводит исследовательские работы, преследующие цель повышения эффективности солнечных батарей.

В основу этих исследований положена идея максимального увеличения светового потока на единицу площади. Чтобы эту идею воплотить в жизнь, исследователи обратились к тому, что уже было «изобретено» природой – глазам ночных мотыльков. Эти природные светоприемники воспринимают малейшие кванты света, благодаря чему насекомые прекрасно видят и ориентируются в кромешной темноте. По образу и подобию глаз ночного мотылька ученые попытались создать искусственную структуру, которая бы работала подобным образом.

В результате многочисленных экспериментов, сложнейших расчетов была получена многослойная наностуктура на базе фосфида галлия. Результаты своих исследований ученые опубликовали в журнале «Advanced Materials» («Современные материалы»). В опубликованном материале профессор Джейми Гомес Ривас говорит: «Впервые мы показали, что полученные нами структуры делают возможным практически полное поглощение светового потока». В слоистой структуре глаза мотылька показатель преломления света постепенно меняется от слоя к слою и увеличивается более чем в три раза, прежде чем попадет на зрительный нерв. Такого же эффекта исследователи достигли с помощью полученной ими многослойной структуры мельчайших наностержней с переменной длиной и толщиной.

Наноструктуры с переменным показателем преломления

Благодаря именно таким переменным размерам наностержней достигается плавное непрерывное изменение коэффициента преломления, что максимально увеличивает захват лучей света по всему спектру длин волн, а также сводит к минимуму эффект отражения. Теперь, как считают исследователи, наступило время перехода от научных исследований к практическому применению полученных результатов и разработке простого способа нанесения новых покрытий на солнечные батареи. Если это удастся, то за счет нанесения такого антибликового нанопокрытия эффективность солнечных батарей может быть увеличена в разы. Профессор Ривас при этом считает даже возможным разработать такое покрытие, которое позволит использовать до 99% падающего света.

Учитывая тенденцию развития солнечной электроэнергетики, неуклонное повышение эффективности гелиевых фотопреобразователей, ученые сделали достаточно оптимистический прогноз использования энергии Солнца. По этому прогнозу в 2050 году 27% всего вырабатываемого на планете электричества будет генерироваться именно солнечными электростанциями.

Экология потребления.Наука и техника:Швейцарские физики продемонстрировали работу нового поколения солнечных батарей, обладающих рекордно высоким КПД и при этом остающихся достаточно дешевыми по сравнению с обычными фотоэлементами.

Швейцарские физики продемонстрировали работу нового поколения солнечных батарей, обладающих рекордно высоким КПД и при этом остающихся достаточно дешевыми по сравнению с обычными фотоэлементами.

Пленки из аналога необычного природного минерала помогли физикам из Швейцарии создать новый вид дешевых солнечных батарей, преобразующих рекордные 20% энергии солнечного света в электричество, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.

«Лучшие прототипы солнечных батарей на перовскитах используют особые материалы, которые очень сложно изготовлять и очищать. Их минимальная стоимость составляет около 300 евро за грамм вещества, что делает невозможным их коммерческое использование. Для сравнения, наше вещество, FDT, легко изготовлять и оно в пять раз дешевле, и при этом обладает теми же качествами», - заявил Мохаммад Назируддин (Mohammad Nazeeruddin) из Федеральной политехнической школы Швейцарии в Лозанне (EPFL).

В последние годы ученые создали несколько экзотических материалов, позволяющих увеличить эффективность солнечных батарей в несколько раз. В частности, внимание физиков все больше привлекает минерал перовскит и его синтетические аналоги, тонкие пленки которого являются полупроводниками, хорошо преобразующими энергию света в электричество.

Большинство свето-поглощающих материалов обладают симметричной кристаллической структурой, что и позволяет электронам свободно течь в разные стороны. Перовскит имеет кубическую кристаллическую решетку, образованную атомами одного металла. Внутри каждого куба находится восьмигранник, образованный атомами кислорода, внутри которого «сидит» атом другого металла.

Взаимодействие между этими атомами заставляет электроны течь в едином направлении, благодаря чему солнечные батареи на базе перовскита обладают крайне высоким КПД, около 12-15%. Назируддин и его коллеги смогли достичь еще более высокого уровня эффективности, не повышая стоимости батареи, создав вещество FDT.

Оно относится к категории так называемых «переносчиков дырок» – особых субстанций, помогающих удалять положительные заряды, так называемые «дырки», из пленки перовскита после того, как в нее попадают частицы света и «выбивают» из нее электроны. По своей химической структуре FDT представляет собой небольшую молекулу ароматического углеводорода, похожую по форме на бабочку с крупными крыльями.

Кончики крыльев этой «бабочки» цепляются за поверхность пленки из перовскита, а ее нижняя часть взаимодействует с атомами йода, служащими источником «дырок» и электронов, и заставляют их быстрее возвращаться в рабочее положение после того, как свет выбьет очередной электрон из кристалла перовскита.

Благодаря ее необычным свойствам, солнечная батарея, покрытая тонким слоем FDT, способна достичь рекордного на сегодняшний день показателя КПД – свыше 20,2%, что чуть выше, чем у солнечных батарей на базе более дорогих «переносчиков дырок». Как надеются ученые, их открытие приблизит нас к появлению действительно эффективных «зеленых» источников энергии. опубликовано

На протяжении многих тысячелетий человечество использовало природные ресурсы для получения энергии. Начиная с дров, которые сжигали, чтобы согреться и приготовить пищу, и заканчивая атомной энергетикой. Земные запасы оказались невечными, а потребности современного общества несопоставимо высокими, по сравнению с процессами возобновления. Самым перспективным направлением в поисках альтернативных источников энергии стали новые технологии солнечных панелей.

Гениальное изобретение

Уже в конце XIX ст. ученые стали задумываться над использованием энергии Солнца. Поводом послужила работа известного французского физика А. Беккереля – «Электрические явления, происходящие от освещения тел». В ней он описал фотовольтаический эффект – возникновения напряжения или электрического тока в веществах под воздействием света. Неоценимый вклад в 1873 г. сделал английский инженер-электрик У. Смит, открывший фотопроводимость селена. В 1887 г. немецкий физик Герц открыл внешний фотоэффект, изучив выход электронов из вещества при воздействии на него светом.

Еще более полувека ученые трудились над созданием прямого преобразователя света в электроэнергию. В 1950-х гг. специалистами компании Bell Laboratories была создана первая полноценная солнечная панель. Новые технологии сразу вызвали огромный интерес в космической сфере и, спустя всего 4 года, в космос были запущены американский и советский спутники, оснащенные солнечными батареями.

Солнечная энергия сегодня

Казалось бы, зачем строить ядерные реакторы, когда чуть более чем в 8 световых минутах от нас находится термоядерный источник колоссальной энергии – Солнце. Если представить мощность фотонного потока в Ваттах, то в среднем с учетом полюс-экватор, день-ночь и лето-зима, получится 325 Вт на 1 м². Учитывая площадь поверхности земли – 510,1 млн. км², выходит, что наша планета постоянно принимает 165,7 триллионов кВт в час.

За одни сутки от Солнца на Землю поступает столько энергии, сколько не смогут выработать за год все электростанции мира.

Преобразование световой энергии

В настоящее время использование энергии Солнца стало актуальной задачей. Ведь это самый дешевый и экологически чистый способ получения электроэнергии и тепла. По сравнению с ТЭС, конечная цена электроэнергии для потребителя обходится на 80% дешевле. Потребность в альтернативных источниках недорогой электроэнергии повысила спрос на солнечные батареи, а конкуренция между производителями дала стимул научным разработкам новых технологий.

Существует 3 способа преобразования световой энергии, которые уже широко применяются по всему миру.

Это самый простой способ с применением недорогого оборудования. Принцип действия заключается в нагревании воды Солнцем. Такие установки до недавнего времени применялись в основном только в жарких странах для горячего водоснабжения. Современные коллекторы, произведенные в России, рассчитаны для эксплуатации в северных регионах. При температуре на улице — 10°C в ясную погоду они нагревают воду до 80-90°C.

Сравнительно новая технология, которая активно внедряется в Германии. Изначально установка была задумана для получения дешевого водорода без причинения вреда окружающей среде. Сам водород ‒ это самое экологическое топливо. В отличие от углеводородов, продукт его сгорания ‒ обыкновенный водяной пар (H 2 + 0,5 O 2 → H 2 O). В ходе разработок был получен целый энергетический комплекс, способный обеспечить частное хозяйство электроэнергией, горячим водоснабжением и отоплением. В хорошую погоду электроэнергию вырабатывают батареи, а излишки энергии расходуются на получение водорода. При недостатке генерированного электричества, в ход пускается накопленный водород. Ведущие производители таких комплексных систем ‒ это компании HPS Home Power Solutions GmbH и CNX Construction.

Прямое преобразование энергии Солнца в электрическую постоянно совершенствуется и расширяется. Стремительный рост внедрения СЭС подтверждается статистикой. В 2005 общая мощность солярных проектов составляла всего 5 ГВт, а уже в 2014 – 150 ГВт. Сегодня в мире существует множество таких электростанций, самые крупные из которых:

• «Топаз», Калифорния – 1096 МВт;
• «Agua Caliente», Аризона – 626 МВт;
• «Mesquite», Аризона – 413 МВт;
• «Solar Ranch», Калифорния – 399 МВт;
• «Хуанхэ», Цинхай – 317 МВт;
• «Каталина», Калифорния – 204 МВт;
• «Xitieshan», Цинхай – 150 МВт;
• «Нинся Qingyang», Нинся – 150 МВт;
• «Перово», Крым – 133 МВт;
• «Серебро», Невада – 122 МВт.

В России в настоящий момент работает 23 СЭС общей мощностью 250,318 МВт. К тому же применяемое оборудование постоянно модернизируется, а мощности наращиваются.

В настоящее время в стадии проектирования и строительства на территории РФ находится 31 СЭС.

Кроме крупномасштабных энергетических проектов, солнечные батареи все больше применяются в быту и в различного рода устройствах. Их устанавливают на крышах частных домов, на опорах уличного освещения, встраивают в портативные зарядные устройства, вычислительную технику и автономные приборы освещения для придомовой территории.

Среди самых необычных решений можно отметить велодорожку в Нидерландах и километровый участок автодороги во Франции, выполненные с покрытием из фотоэлементов, а в Корее разработали батарею-имплантат. Он в 15 раз тоньше волоса, предназначен для вживления под кожу и способен питать имплантированные приборы.

Принцип действия

Светоприёмная панель состоит из ячеек (модулей), которые выполняются из двуслойного полупроводникового материала, обладающего свойством фотопроводимости. Верхний слой полупроводника типа «n» имеет отрицательный потенциал, а нижний типа «p» ‒ положительный. При попадании на верхний слой лучей света происходит внешний фотоэффект. Другими словами, полупроводник «n» начинает отдавать электроны. В это же время нижний слой «p», наоборот, способен захватывать электроны. Таким образом, если замкнуть цепь, подсоединив нагрузку к слоям, электроны, покинувшие верхний слой, устремятся через нагрузку к нижнему слою. Затем через p-n переход опять возвращаются в верхний слой.

Реальные достижения

Для создания модулей применяется множество материалов, самыми эффективными по лабораторным исследованиям оказались многослойные фотоэлементы типа GaInP/GaAs/Ge, показавшие коэффициент фотоэлектрического преобразования 32%. При этом в реальности были установлены значительно большие рекордные показатели.

Компания Sharp в 2013 г. создала трехслойный фотоэлемент на индиево-галлий-арсенидной основе, который показал результат КПД 44,4%. Их рекорд в этом же году превзошли ученые Института систем солнечной энергии общества Фраунгофера. В конструкции своего фотоэлемента они применили линзы Френеля, чем добились показателя в 44,7%. Через год они превзошли сами себя и, благодаря особой фокусировке, линзы смогли достичь КПД 46%.

Современные разработки

Одно из перспективных направлений ‒ преобразование в электроэнергию всех спектров излучения. Разработки в этом направлении ведутся многими компаниями, институтами, научными центрами и результаты уже есть.

Теория наноантенн

Идея преобразования излучения Солнца в электрический ток по принципу выпрямляющей антенны, работающей в диапазоне оптических волн 0,4-1,6 мкм, появилась еще в 1972 г. и принадлежит Р. Бейли. Потенциальный КПД таких антенн в теории составит 85%. Первая попытка создать солярный преобразователь на наноантеннах была предпринята в 2002 г. компанией ITN Energy Systems, которая не увенчалась успехом. Несмотря на это, данная методика рассматривается как наиболее перспективная и исследования продолжаются.

Сегодня этот материал, как альтернатива кремнию, наиболее популярный среди производителей. Его стоимость намного дешевле, что в конечном итоге положительно влияет на цену продукта. При этом в его состав входит токсичный свинец, который долгое время пытались заменить. Группа нидерландских ученых, работая над этим вопросом, случайно совершила открытие.

Свинец заменили оловом и при тестовых исследованиях заметили странное явление. «Горячие электроны», то есть электроны с повышенной энергией, отдавали ее через несколько наносекунд, вместо нескольких сотен фемтосекунд, что значительно дольше. В обычных панелях такие электроны преобразовываются в тепло, а не в электричество. В данном случае за счет медлительности электронов появляется возможность преобразовать их в электроэнергию, до того, как они станут теплом.

Пока ученые выясняют, почему горячие электроны замедляют свое рассеивание и как можно заставить их рассеиваться еще медленнее. По словам профессора фотофизики и оптоэлектроники М. Лои, теоретические прогнозы КПД такой батареи составят 66%.

Идеальное излучение

Чтобы решить проблему поглощения светоэлементом всего спектра излучения Солнца, команда исследователей из Хайфа (Израиль) предложили нестандартное решение. В опытах они решили преобразовать солнечный свет в идеальное излучение. Для этого они разработали и применили уникальный фотолюминесцентный материал. Подобная технология используется в светодиодных лампах, где диодное свечение поглощается люминофором и преобразовывается в свечение, оптимальное для восприятия человеком. В случае с элементом, материал преобразует весь спектр излучения в свет, идеально поглощающийся панелью. По утверждению молодых ученых, преобразование света позволит увеличить конверсию в электричество до 50%.

Многослойные панели для установки на крыше

Ранее ученые из университета Нового Южного Уэльса предложили концентрировать излучение Солнца с помощью зеркал. Такая методика позволила значительно увеличить эффективность работы элементов. Сегодня эта технология применяется на множестве СЭС, однако для батарей, устанавливаемых на крышах частных домов, такая конструкция невозможна. Увеличить эффективность преобразования неконцентрированного света до 53% предложили разработчики германского научного центра Agora Energiewende.

В основе их изобретения лежит многослойная панель способная поглощать 4 диапазона света. Специальный преломляющий слой отражает инфракрасный спектр к кремниевой части и пропускает остальной свет к трехслойной панели. Первый слой ‒ индий-галлий-фосфид, второй – индий-галлий-арсенид и третий ‒ германий. Каждый поглощает свет в определенном диапазоне, и в результате получается «выжать» максимум энергии.

Теоретически конструкция идеальна, но на практике для применения на крыше возникли проблемы со сложностью обслуживания. Пока разрабатываемая для частного сектора батарея больше подходит для электростанций, но работы по ее усовершенствованию продолжаются.

Энергия днем и ночью

Особое внимание многих научных изданий привлекли разработки китайских ученых. Это не удивительно, ведь Китай в этой области держит первенство и является крупнейшим поставщиком солнечных панелей, пользующихся спросом по всему миру.

Китайские разработчики предложили панель, работающую не только в светлое время суток, но и ночью. Секрет заключается в слое люминофора с длительным послесвечением. Днем непоглощённый фотоэлементом свет задерживается люминофором, который светится ночью, отдавая энергию фотоэлементам. Хотя ночное КПД составляет всего 25%, такие батареи смогут значительно повысить эффективность солнечной энергетики.

Инженерные решения

С ростом СЭС по всему миру появляется новая проблема, особо актуальная для европейских стран. Для строительства таких электростанций необходимо большое пространство. В некотором плане эту проблему решают интеграцией фотоэлементов в дорожное покрытие и установкой светоприёмников на крышах. Но часто приходится модернизировать кровельные конструкции, а в некоторых случаях установка противоречит архитектурным особенностям. Актуальность повышения интеграционных возможностей солнечных батарей приобрела критическую отметку, поэтому над этим сегодня работают ведущие инженеры и архитекторы.

Кровля из фотоэлементов

Интересную конструкцию на конференции Solar Power International 2017 в Лас-Вегасе представила компания Hanergy. Кровельная плитка Hantiles представляет собой волнообразную черепицу со встроенными фотоэлементами. Совместив кровельный материал и фотоэлементы, сохраняется эстетический вид постройки, а кровельная конструкция не требует дополнений. К тому же по стоимости получается дешевле, чем приобретать отдельно кровлю и панели.

Облицовка стен солнечными панелями

Швейцарский центр микротехники и электроники «CSEM» предложил новую технологию по производству наружных стеновых облицовочных панелей, которые одновременно являются еще и солнечными. Особенность заключается в сохранении качеств облицовочного материала. Панели выглядят монотонно и обладают высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами. Пока были представлены только белые варианты, но разработчики говорят, что возможен любой цвет.

Скоро вместо энергосберегающих окон можно будет устанавливать энергогенерирующие. Инновационное окно от разработчиков национальной лаборатории Лос-Аламоса визуально ничем не отличается от простых окон. При этом в них применен однокамерный стеклопакет со встроенными квантовыми точками на основе марганца на внешнем стекле и на основе селенид меди-индия на внутреннем. Стекла выступают в роли люминесцентного концентратора и, поглощая свет, перенаправляют его к краям рамы, где он преобразуется в электроэнергию встроенными фотоэлементами.

Еще дальше пошли немецкие инженеры из Йенского университета. Они предложили смарт-окна. Идея «умных» окон не новая. Раньше другими разработчиками предлагались стекла, изменяющие светопрозрачность и вырабатывающие электроэнергию за счет заламинированных фотоэлементов. В этот раз применена принципиально новая технология LaWin. Теперь к функциям окон добавилась способность работать как освещение и отопление.

Подзарядка на ходу

Японские разработчики из института RIKEN и Токийского университета изобрели ультратонкий гибкий фотоэлемент, который не боится воды и растягивающих нагрузок. При интеграции такой батареи в текстиль можно создавать одежду с возможностью подключения мобильных устройств или любой другой электроники.