Перспективные тонкопленочные фотоэлектрические преобразователи

До недавнего времени это было популярным изложением идей, над воплощением которых в реальность работали выдающиеся ученые в разных странах. Например, красочные фасады зданий и сооружений, которые генерируют электричество даже в пасмурную погоду. Окна, которые могут автоматически затеняться или, наоборот, становиться прозрачными, при этом также генерируя электрическую энергию. Электрические автомобили, которые могут заряжать свои аккумуляторы от солнечных батарей даже в тени. Сейчас многие из этих, казалось бы, фантастических идей уже реализованы на практике или успешно проходят испытания в лабораториях и на полигонах.

Поиски принципиально новых решений

Для решения подобных задач необходима напряженная работа не только ученых и специалистов в области солнечной фотовольтаики, но и кооперация с исследователями, работающими в других, казалось бы, абсолютно несовместимых областях науки. Одним из первых, кто понял требования современной солнечной электроэнергетики был профессор Петер Джомо Уолл из Брауншвейгского технического университета в Германии. Команда, возглавляемая профессором, сделала важный шаг вперед на пути к созданию доступных фотоэлектрических систем, которые могут полностью удовлетворить создателей экологически чистых электрогенерирующих комплексов. Об этой своей работе коллектив под руководством профессора Уолла сообщил 14 февраля 2018 года в журнале Nature Communications.

В результате длительных исследований и многочисленных экспериментов команде Уолла удалось разработать и изготовить пластиковую пленку с пигментирующими красителями, которые могли бы накапливать в себе свет с тем, чтобы в будущем направить его на микроскопические, но высокоэффективные солнечные элементы. Такой метод намного эффективнее, чем традиционные методы преобразования энергии солнечного света в энергию электрическую. По утверждению специалистов, этот процесс обещает резкое увеличение показателя эффективности по сравнению с аналогичным показателем, который имеют обычные кремниевые солнечные элементы.

Тонкопленочный фотоэлектрический преобразователь

Потенциал кремниевой фотовольтаики на сегодняшний день практически исчерпан. Максимально достигнутая эффективность кремниевых фотоэлектрических преобразователей была равна 25%. Даже теоретически максимально возможная эффективность кремниевых солнечных элементов составляет порядка 29% и то при условии высочайшей степени очистки кремния и особых режимов выращивания кристалла.

Для проведения исследовательских работ команда профессора Уолла использовала высокоэффективные солнечные элементы, выполненные на базе соединений галлия или индия. Эти элементы при соблюдении всех технологических норм способны показывать эффективность до 45 процентов. Но так как эти соединения сами по себе очень дорогие, то, как правило, минимально возможные элементы этих материалов комбинируют с самыми дешевыми системами сбора и концентрации световых потоков. Обычно для этих целей используются оптические линзы, которые и концентрируют солнечный свет в высокоэнергетичные пучки, направленные на гелиевые элементы.

Солнечный элемент с оптическими линзами

Как подчеркивает профессор Уолл, такие системы, к сожалению, работают только с прямыми лучами солнечного света, падающими строго перпендикулярно на поверхность элементов. В рассеянном свете, при облачном небе, в пасмурную погоду, в тени эти системы практически не генерируют электричество.

Чтобы устранить этот недостаток, исследователи из команды профессора Уолла работают с молекулами флуоресцентного пигментирующего вещества, которые способны поглощать свет и затем отдавать его снова. Так как эти молекулы обычно хаотично располагаются вдоль и поперек относительно друг друга в любом отдельно взятом фрагменте пластмассовой матрицы, то каждый фотон, попадающий на материал, обязательно наталкивается на частицу, расположенную под прямым углом к световому потоку.

Модель захвата света в листьях растений

Однако свет, который эти частицы отдают после поглощения, не всегда находит дорогу к солнечной клетке. Потери при этом достаточно высоки, поскольку лишь незначительная часть в конечном счете превращается в электрический ток.

Захват света – принцип фотосинтеза

Над решением этой проблемы работают химики Брауншвейгского технического университета, прямо или косвенно участвующие в разработках, проводимых под руководством профессора Уолла. В качестве одного из вариантов решения проблемы был разработан способ механического растяжения материала. Пленка, содержащая флуоресцентное пигментирующее вещество, растягивалась примерно в четыре раза. Такое механическое воздействие на тонкую пленку приводило к тому, что некоторые молекулы красителя выстраивались параллельно друг другу таким образом, что они могли поглощать намного большую часть светового потока, чем это происходило при неупорядоченных частицах.

Затем поглощенный свет при излучении перенаправлялся на солнечный элемент. Исследования показали, что при таком воздействии на материал процесс электрогенерации происходит с высокой энергоотдачей. По сравнению с предыдущими системами потери могут быть уменьшены более чем в три раза. При этом вся система концентрации светового потока работает аналогично тем процессам, которые функционируют в растениях. При фотосинтезе красящие вещества растения захватывают свет и далее перенаправляют его в соответствующие реакционные центры для преобразования энергии. Этот же принцип был использован при создании тонкопленочных систем для фотоэлектрических преобразователей.

Системы захвата и концентрации светового потока

Команда профессора Уолла работает в тесном сотрудничестве с канадским Институтом энергетических наноисследований в университете Беркли, США, где в настоящее время проводится объемный цикл тестирования. Получив столь многообещающие результаты, исследователи постепенно расширяют спектральный диапазон. В самом начале своих работ ученые работали только в сине-зеленом диапазоне спектра света. Моделируя фотосинтез, исследователи учитывали, что кроме хлорофилла, несущего на себе двойную нагрузку – захвата и излучения энергии, у некоторых растений имеются и другие пигменты, захватывающие свет тех областей спектра, на которые реакция хлорофилла выражена очень слабо.

Поэтому в настоящее время исследователи тестируют другие красители, которые будут захватывать световое излучение в других областях спектра. Такая многослойная пигментация намного повышает эффективность светопоглощения и генерации электроэнергии. Помимо этой задачи, попутно решается вопрос о стойкости пигментирующих веществ, чтобы красители не разлагались под воздействием света. Тестируются стабильные красители, используемые, например, в мониторах. Конечная цель работы объединенной команды профессора Уолла – получение облицовочных и оконных материалов, генерирующих электричество с высокой эффективностью.

Путь к практическому применению этих материалов непростой. И предстоит немало потрудиться, чтобы этот путь пройти. Но конечная цель стоит того.