Вчені з МІСіС розробили гнучку сонячну батарею втричі дешевше за кремнієві панелі
Джерело: http://tass.ru/nauka/3193630
МОСКВА, 11 квітня /ТАС/. Вчені з Науково-дослідного технологічного університету «МІСіС» спільно з колегами з університету Техасу в Далласі розробили гнучку сонячну батарею на основі метало-органічного з'єднання, вартість якої щонайменше втричі нижча від кремнієвих панелей, повідомляє прес-служба університету.
Розроблена вченими НДТУ «МІСіС» гнучка сонячна батарея
«Група вчених НДТУ «МІСіС» під керівництвом професора Анвара Західова представила технологію створення тонкоплівкового фотоелемента на основі гібридного метал-органічного з'єднання — перовскіту, що дозволяє перетворювати енергію сонячного випромінювання в електричну з ККД вище 15%, при планованих показниках розрахункова вартість квадратного метра перовскітних сонячних панелей становить менше 100 доларів США, тоді як квадратний метр кращих кремнієвих коштує 300 доларів США. У масовому виробництві різниця стане 4-6-кратною», - йдеться у повідомленні.
Сонячні батареї на основі кремнію відрізняються високою вартістю через високотехнологічне, енергоємне і токсичне виробництво кремнію. Крім того, вони значно тендітніші і менш гнучкі порівняно з розробкою російських учених. Особливість перовскитной технології в тому, що активні шари сонячних елементів на його основі можна наносити з рідких розчинів на тонкі і гнучкі підкладки. Це дозволяє розміщувати сонячні батареїна поверхнях будь-якої кривизни: віконні напівпрозорі «енергоштори» будинків та машин, фасади та дахи будівель, побутова електроніка та багато іншого.
«Головною перевагою гібридних перовскітів є простота їх отримання із звичайних солей металів та промислових хімічних органічних сполук, а не з дорогих та рідкісних елементів, що використовуються у високоефективних напівпровідникових аналогах, таких, як сонячні батареї на основі кремнію та арсеніду галію. Не менш важливо, що матеріали на основі перовскіту можуть бути використані для друку фотоелектроніки не тільки на скло, але і на інші матеріали і поверхні. Це робить батареї набагато дешевше, ніж за складніших способів отримання тонкоплівкових сонячних елементів», — сказав Західов, слова якого наводяться в повідомленні.
Істотне зниження вартості виробництва сонячних батарей сприятиме збільшенню частки екологічно чистих, відновлюваних джерел енергії у загальному енергетичному «пирозі».
Російські вчені розроблять пластичні сонячні батареї нового типу
Джерело: http://tass.ru/ural-news/3174602
ЕКАТЕРИНБУРГ, 4 квітня. /ТАС/. Російські вчені планують розробити перші досвідчені зразки пластичних сонячних батарей нового покоління до 2018 року, повідомив кор. ТАРС науковий співробітник Управління з наукової інноваційної діяльності Южно-Уральського державного університетуОлег Большаков. Проект реалізується за грантової підтримки Російського наукового фонду.
«Разом із колегами з московського Інституту органічної хімії ми працюємо над створенням пластичних тонкоплівкових сонячних батарей нового покоління вже протягом 1,5 років. Перша партія матеріалу для сонячних батарей вже готова, вона тестуватиметься протягом 2-3 місяців у спеціальній лабораторії при університеті Единбурга в Шотландії», - сказав Большаков. «У Росії поки що необхідних сертифікованих лабораторій немає, тому ми звернулися до закордонних фахівців. За планом до 2018 року, ми випустимо перші дослідні зразки», — додав він.
За словами вчених, головна особливість сонячних батарей нового типу – органічний світлочутливий матеріал. «Такі батареї не будуть токсичними, також вони не вимагають великої кількостісвітлочутливого матеріалу — у 1000 разів менше, ніж батареї попередніх поколінь, тому вони будуть і найбільш доступними за ціною. З цих причин розробки у цьому напрямі ведуться у всьому світі. Але аналогів нашої технології поки що немає, тому реалізація нашого проекту дасть нам великі переваги в альтернативній енергетиці майбутнього», — додав Большаков.
Він також зазначив, що на Наразіспеціалістам належить виявити статистичну залежність між структурою матеріалів та ефективністю. «Кожен фотоелемент характеризується двома основними параметрами – стійкістю та енергоефективністю. Необхідно визначити найбільш вдалі варіанти з тих, які ми відправили до лабораторії, після чого їх можна буде застосовувати до різних поверхонь. Подальша наукова роботабуде пов'язана з удосконаленням матеріалів», – пояснив учений.
Світ впевнено рухається до революції в енергозберігаючих технологіях. Одне з останніх досягнень у цій галузі належить Міжнародній дослідній групі, яку утворив Університет Техасу в Далласі та Московський інститут сталі та сплавів (МІСіС). Вчені розробили метод створення сонячної батареї на базі перовскіту. На відміну від традиційних аналогів, що ґрунтуються на кремнії, ефективність новинки набагато вища. У цьому собівартість сонячної батареї майбутнього знижується. Дослідники впевнені, що пластичні, легкі, доступні за ціною пристрої з перовскіту з часом знайдуть широке застосування, будуть затребувані та повністю витіснять застарілі крем'яні аналоги.
Аналіз кремнієвих сонячних батарей розпочали ще у ХХ столітті.
Існуюча технологія має низку недоліків. Це токсичність та енергоємність виробництва кремнію. Тому процес і виходить дорогим. А ще кремній відрізняється ненадійністю, недостатньою пластичністю та великою вагою панелей. Тому сфера застосування цього хімічного елемента є надто вузькою. За прогнозами вчених, вирішити всі ці проблеми зможе метало-органічний перовскіт.
Нове дослідження дозволило плідно попрацювати над прототипом тандемного пристрою, який складається з вуглецевих нанотрубок та фотоелектричних складових. Ця технологія передбачає поєднання елементів з перовскіту та традиційного кремнію. Установка ефективно перетворює доступні ультрафіолетові промені на електрику і підвищує коефіцієнт корисної дії батареї на 15%. 
— Основна перевага гібридного перовскіту – це легкість його добування із стандартних джерел: органічних хімсполучень промислового зразка та солей металів. У той час як високоефективні напівпровідникові аналоги у вигляді сонячних батарей, засновані на арсенідегалію та кремнії, отримують з нерозповсюджених та дорогих елементів, — було відзначено керівником проекту, провідним експертом університету МІСіС та професором Анваром Західовим. 
Також важливий фактор полягає в тому, що основи на перовскіті під час друку фотоелектроніки не обмежуються печаткою на склі. Це суттєво здешевлює батареї нового зразка порівняно з більш складними способамистворення складових із тонкої плівки. Дані складові перовскіту мають активні яруси. Вони без проблем наносяться навіть на пластичні і тонкі підкладки. А сучасна рулонна методика уможливлює розміщення сонячних батарей на поверхні всілякої кривизни. Зважаючи на всі ці переваги, сфера застосування інноваційних батарей розширюється і виходить далеко за рамки використання традиційних кремнієвих аналогів. Розробка може забезпечувати природною енергією портативну електронну та побутову техніку, реалізуватися у проекті « Розумний дім" і т.д. Батареї на базі перовскіту гарантують безперебійне подання електричної енергії в житло. Інновація також підходить для автомобільної промисловості. 
Вчені у всьому світі працюють над створенням нових сонячних батарей, які за високої ефективності могли б набувати різних форм і широко використовуватися при будівництві в будівельній індустрії. Кожна нова розробка, кожне нове досягнення вчених, кожне нове покоління сонячних батарей – це нехай невеликий, але крок уперед, це своєрідний прорив у справі освоєння альтернативних джерел енергії, що дозволить знизити залежність людства від традиційних викопних енергоносіїв.
Майбутнє фотовольтаїки: три перспективні напрямки
1.Прозорі сонячні батареї
Австралійська компанія Dyesol працює, як вона заявила, над фотоелектричною системою майбутнього. Основою цієї системи є так звані «гретцель-осередки» - різнокольорові сонячні осередки. Своєю назвою вони зобов'язані людині, яка їх винайшла, – хіміку Майклу Гретцелю, який запатентував ці осередки ще 1992 року. Ці осередки функціонують аналогічно тому, як функціонує зелене листя рослин. Барвник, що міститься в матеріалі цих осередків, реагує на світло і створює тим самим різницю потенціалів на поверхні плівки. Гретцель-комірки майже прозорі і можуть бути використані у різних покриттях. Це робить їх гнучкими, а сфера застосування практично не обмежена.
Різнокольорові гретцель-комірки на фасаді нового Конференц-центру в Лозані.
Найбільша перевага цих осередків полягає в тому, що вони дешеві, екологічно чисті, працюють навіть від розсіяного світла і за несприятливих кутів падіння сонячних променів. Однак для їх повноцінного практичного застосування потрібні додаткові дослідження. Справа в тому, ефективність цих осередків поки не перевищує 15%, що значно нижче за аналогічні показники у кремнієвих гелієвих елементів. Проте теоретичні розрахунки показують, що з відповідних технологіях ефективність гретцель-осередків може досягти 31%. І тоді в недалекому майбутньому очікується поява будинків, стіни яких покриті фарбою, що генерує електрику.
2.Фотовольтаїка, втілена в камені
Дослідницька лабораторія німецького університету міста Кассель під керівництвом професора Хайке Клуссманна, продовжуючи роботи, розпочаті Гретцелем, у своїх дослідженнях пішли набагато далі. У лабораторії було розроблено будівельний матеріал, що поєднує в собі властивості бетону та гелієвої комірки.
Цей новий матеріалйого автори назвали DysCrete. Як пояснюють дослідники, бетон у разі виконує функції електрода, тоді як штучний фотосинтез відбувається у барвниках, виготовлених з урахуванням фруктових екстрактів. На самому початку дослідницька група експериментувала навіть із соком чорної смородини, поки розробники не знайшли ефективніших барвників.
Експерименти з червоними барвниками та бетоном в університеті Касселя.
Керівник проекту професор Хайке Клуссманн каже: «Наша мета полягає в тому, щоб розробити матеріал, який у майбутньому знайде широке застосування у будівельній галузі, наприклад, для збірних елементів при зведенні будівель та споруд, як фасадні елементи, нових компонентів стін».
3.Рулонні сонячні осередки
Тонкі, гнучкі та дуже дешеві. Такі характеристики гелієвої фольги та гелієвого паперу. Німецька компанія Heliatek випустила плівку, товщина якої значно менша за міліметр. Ця плівка зберігає свою електричну ефективність навіть в умовах поганого освітлення та високих температур. В даний час серйозні дослідження та експерименти з гелієвим папером проводить технічний університет у місті Хемніц.
Дослідники експериментують із паперово-плівковими сонячними модулями.
З нормальною технікою друку світлочутливий шар може бути нанесений на папір. При цьому в лабораторіях університету вже отримано досить обнадійливі результати. На сьогоднішній день йдеться про напругу в 4 вольти та коефіцієнт корисної дії 1.3%. Але це лише початок робіт. Теоретичні розрахунки показують досягнення показника ефективності, який можна порівняти з аналогічними показниками кремнієвих сонячних елементів. 3PV (Printed Paper Photo Voltaics) – (Друк Папір Фото Вольтаїка) – так назвали вчені своє відкриття.
Погляд у майбутнє: наноструктури зі змінним показником заломлення
У голландському місті Ейндховен в інституті AMOLF фотоніки та нанофізики напівпровідників лабораторія під керівництвом професора Джеймі Гомеса Ріваса проводить дослідницькі роботи, які мають на меті підвищення ефективності сонячних батарей.
В основу цих досліджень покладено ідею максимального збільшення світлового потоку на одиницю площі. Щоб цю ідею втілити в життя, дослідники звернулися до того, що вже було винайдено природою – очам нічних метеликів. Ці природні світлоприймачі сприймають найменші кванти світла, завдяки чому комахи чудово бачать і орієнтуються в непроглядній темряві. За образом і подобою очей нічного метелика вчені спробували створити штучну структуру, яка працювала б подібним чином.
У результаті численних експериментів, найскладніших розрахунків було отримано багатошарова наностуктура з урахуванням фосфіду галію. Результати своїх досліджень вчені опублікували в журналі Advanced Materials (Сучасні матеріали). В опублікованому матеріалі професор Джеймі Гомес Рівас каже: «Вперше ми показали, що отримані нами структури уможливлюють практично повне поглинання світлового потоку». У шаруватій структурі ока метелика показник заломлення світла поступово змінюється від шару до шару і збільшується більш ніж утричі, перш ніж потрапить на зоровий нерв. Такого ж ефекту дослідники досягли за допомогою отриманої ними багатошарової структури найдрібніших наностержнів із змінною довжиною та товщиною.
Наноструктури зі змінним показником заломлення
Завдяки таким змінним розмірам наностержнів досягається плавна безперервна зміна коефіцієнта заломлення, що максимально збільшує захоплення променів світла по всьому спектру довжин хвиль, а також зводить до мінімуму ефект відображення. Тепер, як вважають дослідники, настав час переходу від наукових досліджень до практичного застосуванняотриманих результатів та розробки простого способунанесення нових покриттів на сонячні батареї. Якщо це вдасться, то за рахунок нанесення такого антивідблиску нанопокриття ефективність сонячних батарей може бути збільшена в рази. Професор Рівас вважає навіть можливим розробити таке покриття, яке дозволить використовувати до 99% падаючого світла.
З огляду на тенденцію розвитку сонячної електроенергетики, неухильне підвищення ефективності гелієвих фотоперетворювачів, вчені зробили досить оптимістичний прогноз використання енергії Сонця. За цим прогнозом у 2050 році 27% всього електрики, що виробляється на планеті, буде генеруватися саме сонячними електростанціями.
Екологія споживання. Наука і техніка: Швейцарські фізики продемонстрували роботу нового покоління сонячних батарей, що володіють рекордно високим ККД і при цьому залишаються досить дешевими в порівнянні зі звичайними фотоелементами.
Швейцарські фізики продемонстрували роботу нового покоління сонячних батарей, що мають рекордно високий ККД і при цьому залишаються досить дешевими в порівнянні зі звичайними фотоелементами.
Плівки з аналога незвичайного природного мінералу допомогли фізикам зі Швейцарії створити новий виддешевих сонячних батарей, що перетворюють рекордні 20% енергії сонячного світла на електрику, йдеться у статті, опублікованій у журналі Nature.
«Найкращі прототипи сонячних батарей на перовскітах використовують спеціальні матеріали, які дуже складно виготовляти та очищати. Їхня мінімальна вартість становить близько 300 євро за грам речовини, що унеможливлює їх комерційне використання. Для порівняння, нашу речовину, FDT, легко виготовляти і вона вп'ятеро дешевша, і при цьому має ті самі якості», - заявив Мохаммад Назіруддін (Mohammad Nazeeruddin) з Федеральної політехнічної школи Швейцарії в Лозанні (EPFL).
В останні роки вчені створили кілька екзотичних матеріалів, які дозволяють збільшити ефективність сонячних батарей у кілька разів. Зокрема, увагу фізиків все більше привертає мінерал перовскіт та його синтетичні аналоги, тонкі плівки якого є напівпровідниками, які добре перетворюють енергію світла на електрику.
Більшість світло-поглинаючих матеріалів мають симетричну кристалічну структуру, що і дозволяє електронам вільно текти в різні боки. Перовскіт має кубічну кристалічну решітку, утворену атомами одного металу. Усередині кожного куба знаходиться восьмигранник, утворений атомами кисню, всередині якого сидить атом іншого металу.
Взаємодія між цими атомами змушує електрони текти в єдиному напрямку, завдяки чому сонячні батареї на базі перовскіту мають вкрай високий ККД, близько 12-15%. Назіруддін та його колеги змогли досягти ще більше високого рівняефективності, не підвищуючи вартості батареї, створивши речовину FDT.
Воно відноситься до категорії так званих «переносників дірок» – особливих субстанцій, що допомагають видаляти позитивні заряди, так звані «дірки», з плівки перовскіту після того, як у неї потрапляють частки світла та «вибивають» з неї електрони. За своєю хімічною структурою FDT є невеликою молекулою ароматичного вуглеводню, схожою формою на метелика з великими крилами.
Кінчики крил цієї «метелика» чіпляються за поверхню плівки з перовскіту, а її нижня частина взаємодіє з атомами йоду, що служать джерелом «дірок» та електронів, і змушують їх швидше повертатися в робоче положення після того, як світло виб'є черговий електрон із кристала перовскіту.
Завдяки її незвичайним властивостям, сонячна батарея, вкрита тонким шаром FDT, здатна досягти рекордного на сьогоднішній день показника ККД – понад 20,2%, що трохи вище, ніж у сонячних батарей на базі дорожчих «переносників дірок». Як сподіваються вчені, їхнє відкриття наблизить нас до появи справді ефективних «зелених» джерел енергії. опубліковано
Протягом багатьох тисячоліть людство використовувало природні ресурси для одержання енергії. Починаючи з дров, які спалювали, щоб зігрітися та приготувати їжу, та закінчуючи атомною енергетикою. Земні запаси виявилися невічними, а потреби сучасного суспільстванепорівнянно високими, проти процесами відновлення. Найперспективнішим напрямом у пошуках альтернативних джерел енергії стали нові технології сонячних панелей.
Геніальний винахід
Вже наприкінці ХІХ ст. вчені почали замислюватися над використанням енергії Сонця. Приводом стала робота відомого французького фізика А. Беккереля - «Електричні явища, що походять від освітлення тіл». У ньому він описав фотовольтаїчний ефект – виникнення напруги чи електричного струму речовин під впливом світла. Неоціненний внесок у 1873 р. зробив англійський інженер-електрик У. Сміт, який відкрив фотопровідність селену. У 1887 р. німецький фізик Герц відкрив зовнішній фотоефект, вивчивши вихід електронів із речовини під впливом нього світлом.
Ще понад півстоліття вчені працювали над створенням прямого перетворювача світла на електроенергію. У 1950-х роках. спеціалістами компанії Bell Laboratories була створена перша повноцінна сонячна панель. Нові технології відразу викликали величезний інтерес у космічній сфері і, лише через 4 роки, в космос були запущені американський і радянський супутники, оснащені сонячними батареями.
Сонячна енергія сьогодні
Здавалося б, навіщо будувати ядерні реактори, коли трохи більше ніж за 8 світлових хвилин від нас знаходиться термоядерне джерело колосальної енергії – Сонце. Якщо уявити потужність фотонного потоку у Ваттах, то в середньому з урахуванням полюс-екватора, день-ніч та літо-зима, вийде 325 Вт на 1 м². Враховуючи площу поверхні землі – 510,1 млн. км², виходить, що наша планета постійно сприймає 165,7 трильйонів кВт за годину.
За добу від Сонця на Землю надходить стільки енергії, скільки не зможуть виробити протягом року всі електростанції світу.
Перетворення світлової енергії
В даний час використання енергії Сонця стало актуальним завданням. Адже це найдешевший та екологічно чистий спосіб отримання електроенергії та тепла. Порівняно з ТЕС, кінцева ціна електроенергії для споживача коштує на 80% дешевше. Потреба альтернативних джерел недорогої електроенергії підвищила попит на сонячні батареї, а конкуренція між виробниками дала стимул науковим розробкам нових технологій.
Існує 3 способи перетворення світлової енергії, які вже широко використовуються по всьому світу.
Це найпростіший спосіб із застосуванням недорогого обладнання. Принцип дії полягає у нагріванні води Сонцем. Такі установки донедавна застосовувалися переважно лише у спекотних країнах для гарячого водопостачання. Сучасні колектори, вироблені Росії, розраховані для експлуатації у північних регіонах. При температурі на вулиці – 10°C у ясну погоду вони нагрівають воду до 80-90°C.
Порівняно нова технологія, яка активно впроваджується у Німеччині. Спочатку установка була задумана для отримання дешевого водню без шкоди навколишньому середовищу. Сам водень – це екологічне паливо. На відміну від вуглеводнів, продукт його згоряння – звичайна водяна пара (H 2 + 0,5 O 2 → H 2 O). У ході розробок було отримано цілий енергетичний комплекс, здатний забезпечити приватне господарство електроенергією, гарячим водопостачанням та опаленням. У хорошу погоду електроенергію виробляють батареї, а надлишки енергії витрачаються отримання водню. При нестачі генерованої електрики в хід пускається накопичений водень. Провідні виробники таких комплексних систем – це компанії HPS Home Power Solutions GmbH та CNX Construction.
Пряме перетворення енергії Сонця на електричну постійно вдосконалюється і розширюється. Швидке зростання застосування СЕС підтверджується статистикою. У 2005 загальна потужність солярних проектів становила лише 5 ГВт, а вже у 2014 – 150 ГВт. Сьогодні у світі існує безліч таких електростанцій, найбільші з яких:
- "Топаз", Каліфорнія - 1096 МВт;
- "Agua Caliente", Арізона - 626 МВт;
- Mesquite, Арізона - 413 МВт;
- "Solar Ranch", Каліфорнія - 399 МВт;
- "Хуанхе", Цинхай - 317 МВт;
- "Каталіна", Каліфорнія - 204 МВт;
- "Xitieshan", Цинхай - 150 МВт;
- "Нінся Qingyang", Нінся - 150 МВт;
- "Перово", Крим - 133 МВт;
- "Срібло", Невада - 122 МВт.
У Росії зараз працює 23 СЕС загальною потужністю 250,318 МВт. До того ж обладнання, що застосовується, постійно модернізується, а потужності нарощуються.
В даний час у стадії проектування та будівництва на території РФ знаходиться 31 СЕС.
Крім великомасштабних енергетичних проектів, сонячні батареї все більше застосовуються в побуті та у різноманітних пристроях. Їх встановлюють на дахах приватних будинків, на опорах вуличного освітлення, вбудовують у портативні зарядні пристрої, обчислювальну техніку та автономні прилади освітлення для прибудинкової території
Серед незвичайних рішень можна відзначити велодоріжку в Нідерландах і кілометрову ділянку автодороги у Франції, виконані з покриттям з фотоелементів, а в Кореї розробили батарею-імплантат. Він у 15 разів тонший за волосся, призначений для вживлення під шкіру і здатний живити імплантовані прилади.
Принцип дії
Світлоприймальна панель складається з осередків (модулів), які виконуються з двошарового напівпровідникового матеріалу, що має властивість фотопровідності. Верхній шар напівпровідника типу «n» має негативний потенціал, а нижній типу «p» – позитивний. При попаданні на верхній шар світлових променів відбувається зовнішній фотоефект. Іншими словами, напівпровідник "n" починає віддавати електрони. У цей час нижній шар «p», навпаки, здатний захоплювати електрони. Таким чином, якщо замкнути ланцюг, приєднавши навантаження до шарів, електрони, що залишили верхній шар, спрямують через навантаження до нижнього шару. Потім через p-n перехідзнову повертаються у верхній шар.
Реальні досягнення
Для створення модулів застосовується безліч матеріалів, найефективнішими за лабораторними дослідженнями виявилися багатошарові фотоелементи типу GaInP/GaAs/Ge, які показали коефіцієнт фотоелектричного перетворення 32%. При цьому насправді було встановлено значно більші рекордні показники.
Компанія Sharp у 2013 р. створила тришаровий фотоелемент на індієво-галлій-арсенідній основі, який показав результат ККД 44,4%. Їхній рекорд цього ж року перевершили вчені Інституту систем сонячної енергії товариства Фраунгофера. У конструкції свого фотоелемента вони застосували лінзи Френеля, чим досягли показника 44,7%. Через рік вони перевершили самі себе і завдяки особливому фокусуванню лінзи змогли досягти ККД 46%.
Сучасні розробки
Один із перспективних напрямів – перетворення на електроенергію всіх спектрів випромінювання. Розробки у цьому напрямі ведуться багатьма компаніями, інститутами, науковими центрами та результати вже є.
Теорія наноантени
Ідея перетворення випромінювання Сонця в електричний струмза принципом випрямляючої антени, що працює в діапазоні оптичних хвиль 0,4-1,6 мкм, з'явилася ще в 1972 р. і належить Р. Бейлі. Потенційний ККД таких антен теоретично становитиме 85%. Першу спробу створити солярний перетворювач на наноантенах було здійснено в 2002 р. компанією ITN Energy Systems, яка не увінчалася успіхом. Незважаючи на це, дана методика розглядається як найбільш перспективна та дослідження продовжуються.
Сьогодні цей матеріал, як альтернатива кремнію, є найбільш популярним серед виробників. Його вартість набагато дешевша, що зрештою позитивно впливає на ціну продукту. При цьому до його складу входить токсичний свинець, який тривалий час намагалися замінити. Група нідерландських учених, працюючи над цим питанням, випадково зробила відкриття.
Свинець замінили на олов і при тестових дослідженнях помітили дивне явище. «Гарячі електрони», тобто електрони з підвищеною енергією, віддавали її через кілька наносекунд замість кількох сотень фемтосекунд, що значно довше. У звичайних панелях такі електрони перетворюються на тепло, а чи не на електрику. В даному випадку за рахунок повільності електронів з'являється можливість перетворити їх на електроенергію, до того, як вони стануть теплом.
Поки що вчені з'ясовують, чому гарячі електрони уповільнюють своє розсіювання і як можна змусити їх розсіюватися ще повільніше. За словами професора фотофізики та оптоелектроніки М. Лої, теоретичні прогнози ККД такої батареї становитимуть 66%.
Ідеальне випромінювання
Щоб вирішити проблему поглинання світлоелементом всього спектра випромінювання Сонця, команда дослідників Хайфа (Ізраїль) запропонували нестандартне рішення. У дослідах вони вирішили перетворити сонячне світло на ідеальне випромінювання. Для цього вони розробили та застосували унікальний фотолюмінесцентний матеріал. Подібна технологія використовується в світлодіодні лампи, де діодне світіння поглинається люмінофором і перетворюється на світіння, оптимальне сприйняття людиною. У випадку з елементом, матеріал перетворює весь спектр випромінювання у світло, що ідеально поглинається панеллю. За твердженням молодих учених, перетворення світла дозволить збільшити конверсію на електрику до 50%.
Багатошарові панелі для встановлення на даху
Раніше вчені з університету Нового Південного Уельсу запропонували концентрувати випромінювання Сонця за допомогою дзеркал. Така методика дозволила значно збільшити ефективність роботи елементів. Сьогодні ця технологія застосовується на безлічі СЕС, проте для батарей, що встановлюються на дахах приватних будинків, така конструкція неможлива. Збільшити ефективність перетворення неконцентрованого світла до 53% запропонували розробники німецького наукового центру Agora Energiewende.
В основі їх винаходу лежить багатошарова панель, здатна поглинати 4 діапазони світла. Спеціальний заломлюючий шар відображає інфрачервоний спектр до кремнієвої частини та пропускає решту світла до тришарової панелі. Перший шар - індій-галій-фосфід, другий - індій-галій-арсенід і третій - германій. Кожен поглинає світло у певному діапазоні, і в результаті виходить «вичавити» максимум енергії.
Теоретично конструкція ідеальна, але на практиці для застосування на даху виникли проблеми із складністю обслуговування. Поки батарея, що розробляється для приватного сектора, більше підходить для електростанцій, але роботи з її удосконалення продовжуються.
Енергія вдень та вночі
Особливу увагу багато наукових видань привернули розробки китайських учених. Це не дивно, адже Китай у цій галузі тримає першість і є найбільшим постачальником сонячних панелей, які мають попит у всьому світі.
Китайські розробники запропонували панель, що працює не лише у світлу пору доби, а й уночі. Секрет полягає у шарі люмінофора з тривалим післясвіченням. Вдень непоглинене фотоелементом світло затримується люмінофором, який світиться вночі, віддаючи енергію фотоелементам. Хоча нічний ККД становить лише 25%, такі батареї зможуть значно підвищити ефективність сонячної енергетики.
Інженерні рішення
Зі зростанням СЕС у всьому світі з'являється нова проблема, особливо актуальна для країн Європи. Для будівництва таких електростанцій потрібен великий простір. У певному плані цю проблему вирішують інтеграцією фотоелементів у дорожнє покриття та встановленням світлоприймачів на дахах. Але часто доводиться модернізувати покрівельні конструкції, а деяких випадках установка суперечить архітектурним особливостям. Актуальність підвищення інтеграційних можливостей сонячних батарей набула критичної позначки, тому над цим сьогодні працюють провідні інженери та архітектори.
Покрівля з фотоелементів
Цікаву конструкцію на конференції Solar Power International 2017 у Лас-Вегасі представила компанія Hanergy. Покрівельна плитка Hantiles є хвилеподібною черепицею з вбудованими фотоелементами. Поєднавши покрівельний матеріал та фотоелементи, зберігається естетичний вигляд будівлі, а покрівельна конструкція не потребує додатків. До того ж за вартістю виходить дешевше, ніж купувати окремо покрівлю та панелі.
Облицювання стін сонячними панелями
Швейцарський центр мікротехніки та електроніки "CSEM" запропонував нову технологію з виробництва зовнішніх стінових облицювальних панелей, які одночасно є ще й сонячними. Особливість полягає у збереженні якостей облицювального матеріалу. Панелі виглядають монотонно і мають високі тепло- і звукоізоляційні властивості. Поки були представлені лише білі варіанти, але розробники кажуть, що можливий будь-який колір.
Скоро замість енергозберігаючих вікон можна буде встановлювати енергогенеруючі. Інноваційне вікно від розробників національної лабораторії Лос-Аламосу візуально нічим не відрізняється від простих вікон. При цьому в них застосовано однокамерний склопакет із вбудованими квантовими точками на основі марганцю. зовнішньому скліі на основі селеніду меді-індія на внутрішньому. Скло виступають у ролі люмінесцентного концентратора і, поглинаючи світло, перенаправляють його до країв рами, де він перетворюється на електроенергію вбудованими фотоелементами.
Ще далі пішли німецькі інженери з Йенського університету. Вони запропонували смарт-вікна. Ідея «розумних» вікон не нова. Раніше іншими розробниками пропонувалося скло, що змінює світлопрозорість і виробляє електроенергію за рахунок заламінованих фотоелементів. Цього разу використано принципово нову технологію LaWin. Тепер до функцій вікон додалася здатність працювати як освітлення та опалення.
Підзарядка на ходу
Японські розробники з інституту RIKEN та Токійського університету винайшли ультратонкий гнучкий фотоелемент, який не боїться води та розтягуючих навантажень. При інтеграції такої батареї в текстиль можна створювати одяг із можливістю підключення мобільних пристроївабо будь-якої іншої електроніки.
