Какими будут солнечные панели будущего
Экология потребления. Наука и техника: Докторант Университета Виктории Джастин Ходжкисс, ведущий исследователь проекта MacDiarmid Institute, изучающий возможности «печатной фотоэлектрики», говорит, что она будут дешевой и сможет заменить кремний в качестве следующего поколения фотогальванических материалов.
Проект под названием MacDiarmid открывает возможности для технологий солнечных элементов нового поколения. Когда люди представляют солнечные панели, мы думаем о твердых прямоугольных рамах, которые находятся на крыше или разбросаны по просторам пустынь.
Но представьте себе гибкие и легкие солнечные панели, которыми можно покрыть изогнутую крышу, или свернуть и легко развернуть. Достаточно легкие, чтобы ими можно было покрыть крышу палатки. И достаточно портативные, чтобы быть развернутым, когда нужно сгенерировать энергию для экстренной помощи в отдаленных районах.
Печатные солнечные материалы могут стать более доступными, чем мы думаем. Докторант Университета Виктории Джастин Ходжкисс, ведущий исследователь проекта MacDiarmid Institute, изучающий возможности «печатной фотоэлектрики», говорит, что она будут дешевой и сможет заменить кремний в качестве следующего поколения фотогальванических материалов.
— Кремниевые ячейки становятся все дешевле, но все еще требуют для изготовления высокотемпературного процесса с высоким вакуумом. Для того чтобы солнечная энергия была действительно доступной, она должна быть намного дешевле и быстрее производиться, — отметил он.
Эти печатные полупроводники, в том числе полимеры и наночастицы, могут потенциально производиться в виде рулона, сокращая издержки на производства.
— Их легкость в перевозке и малый вес также означают, что они могут быть изготовлены в Новой Зеландии и отправлены в любую точку мира, — считает Ходжкисс.
На фотографиях солнечные панели обычно блестят, но, по мнению Ходжкисса, что идеальная солнечная панель будет полностью черной.
— Каждая частица света, которая отражается от поверхности солнечных батарей, не превращается в энергию. А когда свет не отражается, это означает, что весь видимый свет поглощается, — отметил ученый.
Именно в этом случае включаются в работу нанотехнология. Ходжкисс сравнил идею с радиоантеннами на крыше здания.
— Когда вы видите большие антенны на вершине зданий, их размер связан с радиочастотами, которые они отслеживают. Радиоволны имеют порядок метров, поэтому антенные диски такого размера. Но оптические длины волн составляют порядка сотен нанометров, — сказал исследователь.
Команды MacDiarmid, работающие над этим, эффективно создают крошечные антенны, которые захватывают свет и могут направлять его внутрь солнечных панелей.
— Мы создаем нано-шаблоны, которые гарантируют, что свет попадет внутрь и не отразится, а световые волны буду захвачены и сфокусированы прямо там, где это необходимо — в солнечных батареях,- сообщил Ходжкисс.
Поэтому команда MacDiarmid использует лазеры, чтобы понять, где происходят потери энергии, где, например, вместо электричества генерируется тепло. опубликовано econet.ru
Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.
Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:
Источник
Как будет выглядеть солнечная энергетика в будущем?
1. Агривольтаика
Принято считать, что идеальным местом для установки солнечных батарей являются бескрайние пустыни нашей планеты. Света здесь много, а облаков практически нет. Проблема в том, что генерирующие ток панели не любят жару. Наиболее эффективно они работают при температуре менее 25 градусов по Цельсию. Однако в умеренном климате им не так просто найти достаточное количество свободных площадей. В нулевых годах началось постепенное внедрение кажущегося беспроигрышным решения — агривольтаики. Технология подразумевает установку солнечных панелей прямо над полями с сельскохозяйственными культурами. Это не только устраняет необходимость в расчистке дополнительного места под сами батареи, но и позволяет охлаждать их с помощью той воды, которую испаряют находящиеся под ними растения.
В 2019 году исследователи из Аризонского университета не поленились выяснить, что в период с мая по июль такие солнечные панели давали на три процента больше энергии, чем обычные. Вроде бы не очень много, однако не следует забывать, что это непрерывный процесс, и даже небольшая выгода со временем превращается в весьма ощутимую прибавку. Инженеры в настоящее время пытаются распространить данную концепцию на водоёмы. Технология уже получила название: «флотовольтаика». Здесь панели размещаются над водной гладью, испарения которой также призваны увеличивать производительность батарей посредством их охлаждения до оптимальной температуры.
2. Солнечные трекеры
Конструкторы стараются выжимать из солнечных панелей максимум. Одним из самых очевидных решений здесь кажется постоянный поворот батарей в сторону источника энергии. Генерирующие ток элементы наиболее эффективны, когда лучи падают на них прямо, а не под углом. Поэтому традиционно они устанавливались в позиции, в которой на них наибольшее количество времени светит Солнце. Понятно, что это не идеальное решение, так как положение нашей звезды на небосклоне меняется не только в зависимости от времени суток, но ещё и в течение года. Чтобы исправить эту ситуацию, инженеры изобрели фотоэлектрические трекеры. Они забирают от 5 до 10 процентов генерируемой энергии, но добавленная выработка с лихвой покрывает эти потери. В некоторых областях планеты этот приём позволяет увеличить объём получаемой энергии на 45%. Особенно полезны трекеры в высоких широтах, где Солнце «гуляет» по горизонту гораздо больше, чем вблизи экватора. Они значительно утяжеляют конструкцию панелей, и их установка на крышах жилищ не отличается практичностью. Однако в полевых условиях их применение более чем оправдано.
3. Солнечные окна
Большинство современных солнечных панелей имеют довольно броский внешний вид, который почти невозможно органично интегрировать в городскую среду. Объясняется это тем, что в основной своей массе они производятся из кремния, который выглядит весьма тяжеловесно. Этот элемент идеально превращает солнечный свет в электроэнергию, но выполнять эту функцию способен не только он. Сегодня учёные пытаются найти альтернативу, которую можно будет встраивать прямо в стекла. Представьте, что вы сидите рядом с окном, греетесь на солнышке, и тут же подзаряжаете мобильник через разъём в раме.
Чтобы добиться этого, нужно найти прозрачный материал, который будет легче кремния. На помощь пришли солнечные элементы, изготовленные из органических соединений. Основой здесь служат полимеры и красители, которые можно наносить на рулоны пластика или, допустим, на то же самое стекло, вставляющееся в окна. На первый взгляд, тут намечается неустранимое противоречие — поглощающее свет вещество должно быть непрозрачным. Однако органические солнечные батареи можно производить из материалов, которые забирают инфракрасный свет, но пропускают видимый. Через имеющиеся сегодня элементы этого типа проходит около 43% излучения. Это, конечно, темно для окон частного домовладения или квартиры, зато прекрасно подходит для «тонирования» стекол офисных высоток.
Эти батареи гораздо дешевле в производстве, чем кремниевые. Кроме того, они очень легкие, и их можно приспособить на экраны мобильников и автомобильные крыши. Есть у них, правда, один серьёзный недостаток — малая эффективность. Они преобразуют в электричество лишь 13% солнечной энергии, в то время как у кремниевых батарей этот показатель достигает 18-22%. Тем не менее, простота применения и установки органических солнечных элементов означает, что они могут использоваться где угодно. В том числе на поверхностях, которые раньше не считались сколько-нибудь перспективными с точки зрения производства электроэнергии.
4. Солнечная ткань
В будущем электричество будут добывать не только неподвижные строения, обвешанные батареями. Сегодня учёные работают над созданием тканей, у которых солнечные панели интегрированы в волокна. Конечная цель этой разработки в том, чтобы потребитель мог генерировать ток, просто выходя на солнышко. Один из методов заключается в создании сверхмалых элементов, которые могут быть вплетены в ткань. В 2018 году английским конструкторам удалось создать изделие размером 3 на 1.5 миллиметра, то есть размером с блоху. 200 таких батарей были установлены в прототип, который смог зарядить наручные часы «Fitbit». Речь не идёт об огромном количестве электроэнергии, но всего 2000 крошечных ячеек должно хватить для подзарядки того же смартфона. Солнечные батареи успешно интегрируются и в более тяжелый текстиль, например, в шторы и палатки, которые предназначены для долгого пребывания на солнце в течение светового дня.
5. Гелиотермальная энергетика
Если все предыдущие технологии этого списка ставят своей целью создание электрической энергии, то здесь инженеры пытаются получить тепловую — для обогрева жилищ. Они конструируют аккумуляторные батареи, наполненные так называемым «солнечным тепловым топливом». Это вещество, которое поглощает энергию, а затем, по желанию пользователя, высвобождает. Солнечные лучи разрушают его химические связи, заставляя молекулы перестраиваться, приобретая новую, более теплоемкую конфигурацию. Шведские исследователи смогли создать топливо, которое таким образом может хранить энергию в течение почти двух десятков лет. Высвобождение происходит посредством физического фильтра, действующего как катализатор и возвращающего молекулы в их изначальное состояние.
Шведам удалось поднять температуру вокруг своего устройства на 63 градуса всего за несколько минут, однако они твердо намерены улучшить полученный результат. Если эта технология будет доведена до ума, она наверняка станет весьма востребована. Рачительный хозяин ставит на крышу своего дома устройство, которое просто греется под солнечными лучами. Затем, с наступлением зимы, он просто щёлкает выключателем, и у него дома становится тепло. Без счетов за электричество и газ, без вредных выбросов и загрязнения окружающей среды. Этот процесс может повторяться снова и снова. Разве это не замечательно?
Источник
5 необычных солнечных батарей будущего
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.
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.
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.
На сайте Электрик Инфо:
Донат на развитие проекта Электрик Инфо: Пожертвование на развитие сайта
Источник