Прозрачные солнечные элементы батареи

Окна батареи. Прозрачные солнечные батареи. Работа и применение

Сравнительно недавно на рынке солнечной энергии стали появляться инновационные разработки, которые предполагают применение оконных стекол в качестве солнечных батарей. Это очень перспективная технология, которая может найти применение не только в городских высотках, но и во многих иных отраслях. При этом над возможностью преобразования окон в окна батареи работает множество компаний.

Одни предлагают устанавливать тонкие полосы кремниевых фотоэлементов прямо между стеклами в стеклопакетах. По внешнему виду подобные окна батареи напоминают открытые жалюзи, в результате они не перекрывают вид из окна. Другие предлагают использовать для окон стекла со специальным полупрозрачным покрытием. Подобный слой является активным, он преобразует световое излучение в электрическую энергию, аккумулируя в специальных полупрозрачных проводниках. Другие предлагают наклеивать на стекло пленку, обладающую свойствами солнечной батареи.

Устройство

Окна батареи в настоящее время выпускаются двух типов: на гибких подложках и на стеклянных основаниях. Но есть и другие разработки.

• Гибкие варианты напоминают тонировочную пленку, их наклеивают на прозрачные конструкции (панели остекления фасадов, окна и так далее). Их светопропускная способность составляет порядка 70%, что фактически не снижает уровня освещенности помещения. Делают их из гибкого композитного материала, который схож с пластиком.

• Второй вариант прозрачных панелей предполагает нанесение двухслойной пленки на закаленное стекло. На закаленную стеклянную подложку (в некоторых случаях триплекс) наносится тонкая пленка аморфного кремния. На нее сверху напыляется прозрачная микропленка кремния. Микропленка преобразует ИК-лучи, а аморфный кремний — видимый спектр.

• Ряд компаний решили не создавать полностью прозрачный фотоэлектрический элемент. Вместо этого они решили взять TLSC, то есть прозрачный люминесцентный солнечный концентратор. TLSC–материал состоит из органических солей, он поглощает невидимое глазу излучение инфракрасного и ультрафиолетового спектра, в результате оно преобразуется в инфракрасные волны некоторой длины (они также невидимы). Указанное инфракрасное излучение идет к краям пластины, где установлены тонкие полоски фотоэлектрических солнечных батарей.
• Последней разработкой ученых является абсолютно прозрачный материал, который при поглощении солнечного света может генерировать его электричество. Материал представляет пленку из полупроводникового полимера, который насыщен углеродными «мячиками» фуллеренов. Уникальность этого материала в том, что при определенных условиях он формирует упорядоченную структуру, которая напоминает пчелиные соты при многократном приближении.

Принцип действия

• Прозрачные пленки для окон содержат активный люминесцентный слой. Небольшие органические молекулы поглощают определенные длины волн солнечного света. При этом имеется возможность настраивать структуру под определенные длины волн. Так эти материалы могут поглощать лишь ультрафиолет и лучи с практически инфракрасной длиной волны, чтобы впоследствии «подсвечивать» иную длину волны в инфракрасном диапазоне.
• «Светящийся» инфракрасный свет может быть преобразован в электроэнергию при помощи тонких полосок фотоэлектрических солнечных элементов батареи. Вследствие того, что указанные материалы не излучают и не поглощают свет в видимом спектре, то смотрятся они для человеческого глаза абсолютно прозрачно.
• Совершенно новый подход в создании окна батареи демонстрирует технология создания материала, который создает электрический ток при его облучении. Происходит это так:

— Через тонкий слой материала, который находится в жидком состоянии, направляются микроскопические капли воды.
— По мере остывания полимера капли равномерно распределяются по поверхности и испаряются.
— В результате создается текстура из шестиугольников, их плотность определяется скоростью испарения и определяет эффективность переноса заряда. Другими словами, чем плотнее упаковка, тем эффективнее материал.
— Нити полимера распределяются по граням шестиугольников. При этом они остаются пустыми, а сам материал выглядит практически полностью прозрачным. Однако плотно упакованные нити вдоль граней превосходно поглощают солнечный свет, а также проводят электрический ток, который в том числе создается при облучении солнечным светом материала.

Особенности

• Главная особенность уже создаваемых панелей заключается в применении невидимого спектра солнечных лучей, то есть его ультрафиолетовой и инфракрасной частей.
• Поглощение и «переработка» инфракрасного излучения позволяет добиться важного достоинства — минимизация теплового воздействия. Это крайне важно для стран с жарким климатом. Именно ИК-спектр лучей приводит к нагреванию поверхностей и необходимости охлаждать их. Прозрачные панели солнечных батарей поглощают ИК-лучи, при этом не разогреваются сами. В результате можно минимизировать траты на системы охлаждения.
• На текущий момент освоенные технологии прозрачных солнечных батарей демонстрируют малый КПД. Но с усовершенствованием технологий КПД будет повышаться. Даже малая производительность будет окупаться отсутствием необходимости поиска места установки и легкостью монтажа. Значительная площадь стеклянных конструкций, которые фактически не приносят практической пользы, позволит вырабатывать существенное количество электроэнергии.

Достоинства и недостатки

К достоинствам можно отнести:

• Удобство применения, нет необходимости искать дополнительное место для развертывания батарей, ведь они сами размещаются в стекле. Они не занимают места.
• Легкость монтажа.
• Экологичность.
• «электростекла» отбирают часть энергии света, вследствие чего здания меньше нагреваются. Это позволяет снизить затраты на вентиляцию и кондиционирование. Особенно это актуально в странах с солнечным и жарким климатом.
• Возможность широкого применения.

К недостаткам можно отнести:

• Окна батареи не совершенны и многие из них забирают часть света, которое должно попасть в помещение.
• Низкий КПД.
• Малая распространенность.
• Не проработанность технологий.

Перспективы и применение

Окна батареи в ближайшем будущем вполне могут заменить обычные стекла в:

• Домах и других зданиях.
• Электронных приборах.
• Автомобилях.

Некоторые компании уже производят стекла в небольших количествах для установки в зданиях, это японская корпорация Sharp и ряд других. Возможности применения подобного изобретения довольно обширны, но эффективность технологии на данный момент ограничивается несовершенством технологии. Уже апробированные технологии обеспечивают всего 1%, а более продвинутые — 5-7%.

Тем не менее, перспективы прозрачных солнечных батарей обширны. Так замена дисплея смартфона или ноутбука на новый «солнечный» экран позволит существенно увеличить срок его работы без подзарядки. Города будущего смогут превратиться в экологичные электростанции без установки дополнительного оборудования — здания смогут сами себя снабжать энергией.

Источник

Прозрачный солнечный элемент показал эффективность более 10 процентов

Li et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020

Американские и китайские химики создали солнечный элемент с эффективностью более десяти процентов и светопроницаемостью более 45 процентов. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Создание прозрачных солнечных панелей — одна из самых интересных областей современной фотовольтаики. Такие солнечные панели можно будет встраивать в окна домов и получать дополнительную электроэнергию без ущерба для внешнего вида здания и освещенности внутри. Однако создать устройства, сочетающие высокую эффективность и достаточную светопроницаемость, непросто. Можно сказать, что эти параметры конкурируют друг с другом — чем больше фотонов пройдет насквозь через солнечный элемент, тем меньше фотонов поглотится в активном слое и тем меньше энергии выработает панель. Впрочем, некоего баланса достичь можно: для этого надо искать материалы с высоким коэффициентом поглощения вне видимой области спектра, а также максимально эффективно использовать энергию поглощенных фотонов.

Американские и китайские химики под руководством Стивена Форреста (Stephen R. Forrest) из Мичиганского университета сумели получить прозрачные солнечные панели с высокой эффективностью. Активный слой этих солнечных батарей представляет собой тонкую пленку смеси двух соединений — донора и акцептора. В качестве донора использовали полимер PCE-10, который практически прозрачен в видимой области спектра. Для того чтобы выбрать идеальный акцептор, ученые синтезировали и протестировали три похожих поликонденсированных гетероароматических соединения: уже использовавшийся в прозрачных элементах акцептор SBT-FIC и два похожих на него соединения А078 и А134, для которых максимум поглощения еще дальше сдвинут в ближнюю инфракрасную область. Дополнительным аргументом в пользу новых акцепторов оказалась простота их получения — это важно для стоимости будущих солнечных модулей. Синтез SBT-FIC включает в себя десять последовательных стадий, а синтез А078 и А134 — всего по шесть стадий.

Формулы соединений-акцепторов и соответствующие спектры поглощения.

Li et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020

Сравнивая прозрачные солнечные элементы, ученые вычисляют произведение двух конкурирующих параметров — эффективности и светопроницаемости. Для солнечного элемента на основе A078 этот параметр оказался равен 5,0 процентам. Это очень заметный шаг вперед, ранее рекордным значением этого параметра было 3,9 процента.

В дальнейшем Форрест и его коллеги планируют заняться повышением стабильности устройств — пока что в этом параметре прозрачные солнечные элементы заметно уступают традиционным кремниевым.

Изготовление прозрачных солнечных панелей — не единственный способ гармонично вписать солнечный элемент в дизайн здания. Например, компания Tesla несколько лет назад начала выпускать солнечные панели, которые внешне имитируют черепицу. Панели состоят из трех слоев: нижний представляет собой высокоэффективную солнечный элемент, средний слой — маскирующее стекло, а внешний слой —закаленное защитное стекло. Если смотреть на такую панель с земли, благодаря маскирующим слоям она будет выглядеть как дерево или камень, однако для падающего сверху солнечного луча верхние стеклянные слои прозрачны.

Источник

Прозрачные солнечные панели — новая попытка от китайских ученых

Солнечная энергетика — один из трендов современности. В некоторых регионах при помощи солнечной энергии можно полностью удовлетворять свои нужды в электричестве. Для того, чтобы сделать фотоэлементы более эффективными, многие ученые готовы тратить время и ресурсы, причем немалые. Кому-то это удается, но пространство для маневра все равно остается.

Некоторые исследователи пытаются найти свой путь в этой сфере — например, сделать солнечные панели прозрачными. Это позволит расширить спектр их использования — размещать панели не только на крыше, но, например, в оконных проемах. Другими словами, заменять стекла в окнах на фотоэлементы.

Сообщения о прозрачных солнечных панелях появляются с завидной регулярностью, но пока что большинство экспериментов так и остаются экспериментами. Возможно, проект китайских ученых что-то изменит.

Дело в том, что они создали действительно прозрачные солнечные панели, где основную роль играет редкоземельный металл иттербий. Этот химический элемент способен излучать два «инфракрасных фотона» при поглощении одного «голубого». «Инфракрасные фотоны» игнорируются любыми материалами, кроме кремния, который, как известно, используется в качестве основного рабочего элемента солнечных панелей. Этот металл поглощает инфракрасные фотоны, излучая электрон. Получается, что на каждый «голубой» фотон кремний реагирует выделением двух электронов.

Получается, что прозрачные панели на 160% эффективнее обычных фотоэлементов (не на 200%, поскольку всегда есть потери).

Прозрачные фотоэлементы представляют собой полимерное стекло с включением наночастиц. Последние поглощают ультрафиолетовый свет, пропуская излучение других спектров. Все это позволяет добиться полной прозрачности фотоэлементов.

Положительным моментом является еще и то, что когда иттербий выделяет инфракрасные фотоны, они уходят в пространство под углом, который позволяет кремнию поглотить их. Как результат — можно создать окно, стекло в котором генерирует инфракрасные фотоны, а рамка, включающая кремний, способна поглощать их, генерируя электричество.

Правда, в конечном итоге мы получаем, мягко говоря, не очень эффективные солнечные батареи. Да, световое излучение синего спектра позволяет генерировать инфракрасные фотоны с эффективностью в примерно 180%. Но, к сожалению, прозрачные солнечные батареи способны поглощать свет синего спектра с эффективность лишь в 3%. Проблема состоит в том, что далеко не все фотоны улавливаются рамкой.

Тем не менее, даже это может быть отличным результатом, если прозрачные фотоэлементы внедрять повсеместно. КПД солнечных панелей такого типа можно улучшать, а если представить себе большое здание с окнами из прозрачных фотоэлементов, то речь идет о генерации значительных объемов электричества.

Возможно, увеличить эффективность солнечных батарей можно, изменив состав «стекла», что позволит получать больше «голубых» фотонов. Кроме того, кремний не единственный материал, который может использоваться для создания фотоэлементов. Есть и более эффективные — но они более дорогие (гораздо более дорогие).

Источник

Созданы полностью прозрачные солнечные панели

Исследователи из Мичиганского государственного университета сумели изготовить прозрачный материал, который при этом преобразует солнечный свет в электроэнергию. По сравнению с предыдущими условно-прозрачными материалами этот действительно выглядит как стекло. В перспективе его можно будет поставить вместо стекла в окно жилого дома и получать дополнительную дармовую энергию, или превратить в экран смартфона/планшета, чтобы он подзаряжался самостоятельно.

Конечно, солнечная панель для получения электричества должна улавливать фотоны, которые будут генерировать энергию. А значит, она не может быть полностью прозрачной. Поэтому предыдущие версии таких материалов были полупрозрачными. В чём подвох?

В новом материале используется технология «солнечного концентратора». Содержащиеся в нём органические соли поглощают невидимое (ультрафиолетовое и инфракрасное) излучение. Оказавшись внутри панели, всё излучение переходит в инфракрасный диапазон. Это излучение, отражаясь от плоскостей панели изнутри, проникает к её краям. Там его встречают узкие полоски из обыкновенных фотовольтаических панелей, которые и поглощают свет, выделяя энергию.

Пока эффективность сбора энергии у пробных панелей составляет 1%. Учёные считают, что этот показатель можно увеличить до 5%. Максимальный КПД для непрозрачных солнечных концентраторов составляет 7%. Конечно, это очень мало, по сравнению с современными солнечными панелями, у которых КПД серийных образцов достигает 25%, а в лабораториях доходит и до 50%. Зато прозрачные преобразователи энергии могут быть установлены в дома вместо обычных стёкол. Если представить себе целый небоскрёб, в котором вся поверхность перерабатывает энергию, то полученное число уже будет достаточно внушительным.

Источник