Вместо окон солнечные батареи для

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

Альтернативная энергетика: когда вместо окон — солнечные батареи

Последние годы СМИ нередко публикуют новости о солнечных батареях из перовскита, которые хоть пока и уступают кремниевым по эффективности, но более дешевые, и потому у них неплохие перспективы в сфере ЖКХ.

В России разработку перовскитовых фотоэлементов поддерживают на государственном уровне.

Альтернативная энергетика: когда вместо окон — солнечные батареи

Перовскит — так называется минерал, открытый еще в начале позапрошлого века в Уральских горах. В природе это титанат кальция, содержашийся в горных породах, претерпевших воздействие огромных температур и давления.

Перовскит привлек внимание ученых своей необычной кристаллической структурой в виде неправильного куба, присущей различным соединениям с полупроводниковыми свойствами.

Структура перовскита напоминает неправильный куб

Для создания фотоэлемента достаточно тонкого слоя материала со структурой перовскита. Чтобы ее получить, иодид свинца и металлоорганический иодид растворяют в диметилформамиде и наносят на подложку, например, из органического полимера.

Затем структуру отжигают при температуре 90-110 градусов Цельсия, — так происходит формирование поликристаллической пленки из перовскитных молекул. В результате получаются гибкие полупрозрачные панели. Создать такие из кремния невозможно.

Скачущие электроны

В фотовольтаическом элементе фотопроводящий слой перовскита зажат между слоями еще двух полупроводников, например, из оксида металла и органического полимера, служащих для транспортировки носителей заряда.

У электронов в атомах (в частности, входящих в состав полупроводника) разная энергия, и на основании этого их можно разделить по уровням. В физике рассматриваются три верхних уровня, в пределах которых и происходит движение носителей заряда.

Нижний уровень, валентная зона, полностью заполнен электронами. Там они почти не способны двигаться — зажаты, как пассажиры в автобусе в час пик. Следующий энергетический уровень для них запрещен законами природы: электроны способны только прыгнуть через него и оказаться в зоне проводимости.

Но где взять энергию?

Для этого и нужен солнечный свет, то есть поток фотонов. Они как бы толкают электроны, придавая им силы прыгнуть «выше». На месте, где были электроны, остаются положительные носители заряда, называемые дырками.

Электроны совершают прыжок в зону проводимости, получив энергию

В зоне проводимости электроны становятся свободными и могут двигаться из одного слоя фотоэлемента в другой, избавляясь от избытка энергии. Свободные электроны через слой одного полупроводника направляются к катоду, а дырки через слой другого полупроводника устремляются к аноду, и процесс повторяется заново.

В солнечных батареях на перовските используют еще два материала с разным типом проводимости

Эти дополнительные слои полупроводников выполняют роль своеобразных приемщиков носителей заряда, более эффективно разводя их к электродам.

Почему перовскит еще не завоевал мир

«Рекордная эффективность (коэффициент полезного действия) кремниевых батарей составляет сегодня 26,6 процента. Исследователи достигли той же конкурентоспособной величины в устройствах с использованием нового материала в 22,7 процента.

Однако следует учитывать, что с кремнием физики работают уже полвека, а вот перовскит изучают всего около девяти лет.

Думаю, дальнейший рост эффективности — это вопрос самого ближайшего времени при современном уровне развития химии, полупроводниковой электроники, и интенсивности исследований в данной области», — рассказывает Данила Саранин, сотрудник научно-образовательного центра «Энергоэффективность» НИТУ «МИСиС».

Главный недостаток солнечных батарей на перовските заключается в том, что под воздействием фотонов атомы между слоями начинают «путешествовать», из-за чего в структуре возникают дефекты. Со временем устройство теряет эффективность. Пока наилучший результат по сохранению коэффициента полезного действия для элемента на перовските — 13 процентов за год работы.

Ждем энергоэффективных зданий

Ученые полагают, что перовскитовые солнечные панели лучше подходят для бытовых целей, чем кремниевые, за счет того, что они полупрозраны. Их можно даже разместить в окне дома или квартиры вместо стекла. Такая солнечная батарея прозрачна из-за малой толщины, составляющей порядка сотен и даже десятков нанометров.

Учитывая открывающиеся перед перовскитом перспективы, в программу Евросоюза Zero Energy Buildings (что можно перевести как «Здания с нулевым потреблением энергии») включили «оклеивание» архитектурных сооружений солнечными батареями на основе этого необычного материала.

Аналогичную задачу решают ученые в НИТУ «МИСиС», чей проект «Широкоформатные полупрозрачные солнечные панели c использованием стабильных перовскитных архитектур» поддержан мегагрантом Минобрнауки России.

Руководить работами пригласили иностранного специалиста Альдо ди Карло, профессора кафедры оптоэлектроники и наноэлектроники Римского университета Тор Вергата.

«Наша цель — создание дешевых, гибких и производительных солнечных батарей, которые можно встраивать в фасады зданий или окна. Для начала надо научиться изготавливать крупные устройства, соответствующие масштабам зданий.

Параллельно мы будем решать комплексную задачу по подбору новых материалов для эффективных перовскитовых солнечных батарей, стабилизировать существующие соединения, исследовать их свойства как теоретически, так и экспериментально «, — делится дальнейшими планами Саранин.

На сегодняшний день нашим физикам удалось уменьшить деградацию одного из полупроводников, входящих в перовскитовый фотоэлемент, и сконструировать с его помощью экспериментальную солнечную батарею, которая показала среднюю эффективность почти за год 15 процентов.

Источник

В Австралии создали солнечные батареи, которые встроены прямо в оконные стекла

Полупрозрачные солнечные элементы, которые можно встроить в оконное стекло, могут трансформировать архитектуру, городское планирование и производство электроэнергии. Австралийские ученые, создавшие такое изобретение, опубликовали его данные в Nano Energy.

Исследователи преуспели в производстве солнечных батарей на основе перовскита следующего поколения, которые генерируют электричество и пропускают свет. Сейчас они изучают, как новая технология может быть встроена в коммерческие продукты с Viridian Glass — крупнейшим производителем стекла в Австралии.

Эта технология превратит окна в активные генераторы энергии, потенциально революционизируя дизайн здания. Исследователи говорят, что 2 м² солнечного окна будут генерировать примерно столько же электроэнергии, сколько стандартная солнечная панель на крыше.

Идея полупрозрачных солнечных элементов не нова, но предыдущие проекты провалились, потому что они были очень дорогими, нестабильными или неэффективными. Австралийцы изобрели другой подход.

Они использовали органический полупроводник, который можно превратить в полимер, и использовали его для замены обычно используемого компонента солнечного элемента (известного как Spiro-OMeTAD), который демонстрирует очень низкую стабильность, поскольку создает бесполезное водянистое покрытие. Заменитель дал удивительные результаты.

«Эффективность преобразования солнечной энергии на крыше составляет от 15 до 20%. Полупрозрачные ячейки имеют эффективность преобразования 17%, при этом пропуская более 10% входящего света, поэтому они находятся прямо в зоне получения ультрафиолета. Я давно мечтал иметь окна, которые генерируют электричество, и теперь это становится реальностью. Мы будем стремиться разработать крупномасштабный процесс производства стекла, который можно легко перенести в промышленность, чтобы производители могли легко освоить эту технологию».

Яцек Ясениак, Центр передовых технологий ARC в науке об экситонах (Exciton Science) и Университет Монаш.

Солнечные окна станут благом для владельцев зданий и жителей, и принесут новые проблемы и возможности для архитекторов, строителей, инженеров и проектировщиков. Потому что так получается компромисс. Солнечные элементы можно сделать более или менее прозрачными. Чем они прозрачнее, тем меньше вырабатывается электричества, поэтому архитекторам это нужно учитывать.

Он добавил, что солнечные окна, окрашенные в той же степени, что и нынешние коммерческие окна, будут генерировать около 140 Вт электроэнергии на м². Первое применение, скорее всего, будет в многоэтажных домах. Потому что большие окна, установленные в высотных зданиях, дороги в изготовлении. Дополнительные затраты на включение в них полупрозрачных солнечных элементов будут незначительными.

Но даже с дополнительными затратами здание получает электричество бесплатно. До сих пор каждое здание проектировалось исходя из предположения, что окна в основном пассивны. Теперь они будут активно производить электричество. Планировщикам и дизайнерам, возможно, придется даже пересмотреть то, как они размещают здания на площадках, чтобы оптимизировать ловлю стенами солнца.

Сейчас исследователи тестируют тандемное устройство, где будут использоваться солнечные элементы на основе перовскита в качестве нижнего слоя и органические солнечные элементы в качестве верхнего.

Что касается того, когда на рынке появятся первые коммерческие полупрозрачные солнечные элементы, это будет зависеть от того, насколько успешным будет масштабирование технологии. Разработка таких солнечных окон приведет к новым стеклянным инновациям и технологиям в будущем.

Источник