Солнечные батареи нового поколения

Ученые во всем мире работают над созданием новых солнечных батарей, которые при высокой эффективности могли бы принимать различные формы и широко использоваться при строительстве в строительной индустрии. Каждая новая разработка, каждое новое достижение ученых, каждое новое поколение солнечных батарей – это пусть небольшой, но шаг вперед, это своеобразный прорыв в деле освоения альтернативных источников энергии, которые позволят снизить зависимость человечества от традиционных ископаемых энергоносителей.

Будущее фотовольтаики: три перспективных направления

1.Прозрачные солнечные батареи

Австралийская компания Dyesol работает, как она заявила, над фотоэлектрической системой будущего. Основой этой системы являются так называемые «гретцель-ячейки» — разноцветные солнечные ячейки. Своим названием они обязаны человеку, который их изобрел, – химику Майклу Гретцелю, запатентовавшему эти ячейки еще в 1992 году. Эти ячейки функционируют аналогично тому, как функционируют зеленые листья растений. Краситель, содержащийся в материале этих ячеек, реагирует на свет и создает тем самым разность потенциалов на поверхности пленки. Гретцель-ячейки почти прозрачны и могут быть использованы в различных покрытиях. Это делает их гибкими, а область применения практически не ограничена.

Разноцветные гретцель-ячейки на фасаде нового Конференц-центра в Лозане.

Самое большое преимущество этих ячеек заключается в том, что они дешевые, экологически чистые, работают даже от рассеянного света и при неблагоприятных углах падения солнечных лучей. Однако для их полноценного практического применения требуются дополнительные исследования. Дело в том, эффективность этих ячеек пока не превышает 15%, что значительно ниже аналогичных показателей у кремниевых гелиевых элементов. Тем не менее теоретические расчеты показывают, что при соответствующих технологиях эффективность гретцель-ячеек может достигнуть 31%. И тогда в самом недалеком будущем можно ожидать появление домов, стены которых покрыты краской, генерирующей электричество.

2.Фотовольтаика, воплощенная в камне

Исследовательская лаборатория немецкого университета из города Кассель под руководством профессора Хайке Клуссманна, продолжая работы, начатые Гретцелем, в своих изысканиях пошли намного дальше. В лаборатории был разработан строительный материал, сочетающий в себе свойства бетона и гелиевой ячейки.

Этот новый материал его создатели назвали DysCrete. Как поясняют исследователи, бетон в данном случае выполняет функции электрода, в то время как искусственный фотосинтез происходит в красителях, изготовленных на базе фруктовых экстрактов. В самом начале исследовательская группа экспериментировала даже с соком черной смородины, пока разработчики не нашли более эффективные красители.

Эксперименты с красными красителями и бетоном в университете Касселя.

Руководитель проекта профессор Хайке Клуссманн говорит: «Наша цель состоит в том, чтобы разработать материал, который в будущем найдет широкое применение в строительной отрасли, например, для сборных элементов при возведении зданий и сооружений, в качестве фасадных элементов, новых компонентов стен».

3.Рулонные солнечные ячейки

Тонкие, гибкие и очень дешевые. Таковы характеристики гелиевой фольги и гелиевой бумаги. Немецкая компания Heliatek выпустила пленку, толщина которой значительно меньше миллиметра. Эта пленка сохраняет свою электрическую эффективность даже в условиях плохой освещенности и высоких температур. В настоящее время серьезные исследования и эксперименты с гелиевой бумагой проводит технический университет в городе Хемниц.

Исследователи экспериментируют с бумажно-пленочными солнечными модулями.

С нормальной техникой печати светочувствительный слой может быть нанесен на бумагу. При этом в лабораториях университета уже получены достаточно обнадеживающие результаты. На сегодняшний день речь идет о напряжении в 4 вольта и коэффициенте полезного действия 1.3%. Но это только начало работ. Теоретические расчеты показывают достижение показателя эффективности, сопоставимого с аналогичными показателями кремниевых солнечных элементов. 3PV (Printed Paper Photo Voltaics) – (Печать Бумага Фото Вольтаика) – так назвали ученые свое открытие.

Взгляд в будущее: наноструктуры с переменным показателем преломления

В голландском городе Эйндховен в институте AMOLF фотоники и нанофизики полупроводников лаборатория под руководством профессора Джейми Гомеса Риваса проводит исследовательские работы, преследующие цель повышения эффективности солнечных батарей.

В основу этих исследований положена идея максимального увеличения светового потока на единицу площади. Чтобы эту идею воплотить в жизнь, исследователи обратились к тому, что уже было «изобретено» природой – глазам ночных мотыльков. Эти природные светоприемники воспринимают малейшие кванты света, благодаря чему насекомые прекрасно видят и ориентируются в кромешной темноте. По образу и подобию глаз ночного мотылька ученые попытались создать искусственную структуру, которая бы работала подобным образом.

В результате многочисленных экспериментов, сложнейших расчетов была получена многослойная наностуктура на базе фосфида галлия. Результаты своих исследований ученые опубликовали в журнале «Advanced Materials» («Современные материалы»). В опубликованном материале профессор Джейми Гомес Ривас говорит: «Впервые мы показали, что полученные нами структуры делают возможным практически полное поглощение светового потока». В слоистой структуре глаза мотылька показатель преломления света постепенно меняется от слоя к слою и увеличивается более чем в три раза, прежде чем попадет на зрительный нерв. Такого же эффекта исследователи достигли с помощью полученной ими многослойной структуры мельчайших наностержней с переменной длиной и толщиной.

Наноструктуры с переменным показателем преломления

Благодаря именно таким переменным размерам наностержней достигается плавное непрерывное изменение коэффициента преломления, что максимально увеличивает захват лучей света по всему спектру длин волн, а также сводит к минимуму эффект отражения. Теперь, как считают исследователи, наступило время перехода от научных исследований к практическому применению полученных результатов и разработке простого способа нанесения новых покрытий на солнечные батареи. Если это удастся, то за счет нанесения такого антибликового нанопокрытия эффективность солнечных батарей может быть увеличена в разы. Профессор Ривас при этом считает даже возможным разработать такое покрытие, которое позволит использовать до 99% падающего света.

Учитывая тенденцию развития солнечной электроэнергетики, неуклонное повышение эффективности гелиевых фотопреобразователей, ученые сделали достаточно оптимистический прогноз использования энергии Солнца. По этому прогнозу в 2050 году 27% всего вырабатываемого на планете электричества будет генерироваться именно солнечными электростанциями.