Энергия от окон: ученые изобрели почти прозрачные солнечные батареи — Naked Science

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.

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.

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.

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.

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.

Энергия от окон: ученые изобрели почти прозрачные солнечные батареи

Ими можно заменить экраны устройств, стекла теплиц, а также окна небоскребов, домов и автомобилей.

Исследовательская группа из японского Университета Тохоку разработала солнечные панели с видимой прозрачностью до 79 процентов на основе монослойных полупроводников из металла и халькогена. «Прозрачные солнечные панели представляют большой интерес, потому что они не так ограничены в применении, как традиционные непрозрачные солнечные панели», — пишут ученые в статье, опубликованной в Nature Scientific Reports.

Несмотря на недавний прорыв в исследовании полупроводников из перовскита и органических соединений, добиться видимой прозрачности выше 70% никак не удавалось. Японские исследователи выбрали для усовершенствования солнечные элементы на барьере Шоттки — потенциальном барьере, который появляется в приконтактном слое полупроводника, граничащего с металлом. В качестве основных материалов взяли оксид индия-олова — самый часто используемый из прозрачных проводящих оксидов — и монослой дисульфида вольфрама.

Дисульфид вольфрама входит в семейство дихалькогенидов переходных металлов (transition metal dichalcogenide, TMD) — тонких проводников, состоящих из переходного металла и халькогена. И они действительно тонкие — всего три слоя атомов, слой металла располагается между слоями халькогена. Ученые считают дихалькогениды переходных металлов одними из самых перспективных материалов для создания почти прозрачных солнечных панелей. Во-первых, потому что эти материалы работают в диапазоне видимого света. Во-вторых, потому что они почти прозрачны для нас.

Гибкие материалы:  Полные зубные протезы – виды, материалы, фото

Японские исследователи попробовали усовершенствовать контактный слой между составляющими. В результате с помощью дополнительного тонкого слоя оксида вольфрама им удалось добиться в тысячу раз более высокой эффективности преобразования электроэнергии, чем у элементов с обычными электродами из оксида индия-олова. И тут возникла проблема с масштабированием технологии и ее практическим применением.

Простое увеличение количества и площади составляющих зачастую приводит к снижению мощности. Но ученым удалось найти «архитектурный дизайн, подходящий для масштабного производства таких элементов».

В результате они добились мощности в 420 пиковатт от солнечной панельки площадью в один квадратный сантиметр с прозрачностью 79 процентов. Это самый высокий показатель для столь тонкого элемента на основе дихалькогенидов переходных металлов.

Прозрачные солнечные панели преобразуют нашу привычную жизнь. От небольших устройств до полностью стеклянных офисных зданий — нас окружают миллиарды квадратных метров стеклянных поверхностей. Впрочем, такая технология сперва должна оказаться относительно недорогой и легкой в производстве.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl Enter.