5 необичайни слънчеви панела на бъдещето

днес силиконови слънчеви панели - далеч от финала по пътя към ограничаване на енергията на слънчевата светлина и превръщането й в полезна електрическа енергия. Много работи все още се изпълняват от учени и в тази статия ще разгледаме пет необичайни решения, които някои от съвременните изследователи разработват.

Изградена е Американската национална лаборатория за възобновяема енергия (NREL) слънчева батерия, базирана на полупроводникови кристали, чиито размери не надвишават няколко нанометра, това са така наречените квантови точки. Извадката вече е шампион по отношение на външната и вътрешната квантова ефективност, която съответно възлиза на 114% и 130%.

Тези характеристики показват съотношението на броя на генерираните двойки електрон-дупка към броя на фотоните, попаднали в пробата (външна квантова ефективност) и съотношението на броя на генерираните електрони към броя на погълнатите фотони (вътрешна квантова ефективност) за определена честота.

Външната квантова ефективност е по-малка от вътрешната, тъй като не всички погълнати фотони участват в генерирането, а някои от фотоните, падащи на панела, просто се отразяват.

Пробата се състои от следните части: стъкло в антирефлексно покритие, слой от прозрачен проводник, след това наноструктурирани слоеве цинков оксид и квантови точки оловен селенид, след това етандиотиол и хидразин и тънък слой злато като горния електрод.

Общата ефективност на такава клетка е около 4,5%, но това е достатъчно за експериментално получената доста висока квантова ефективност на тази комбинация от материали и това означава оптимизация и усъвършенстване напред.

Нито една слънчева клетка не е показала външна квантова ефективност над 100%, докато уникалността на това развитие на NREL се състои във факта, че всеки фотон, който попада върху батерията, създава повече от една двойка електрон-дупка на изхода.

Причината за успеха е многократното генериране на екситони (MEG), ефект, който за първи път е използван за създаване на пълноценна слънчева батерия, способна да генерира електричество. Интензивността на ефекта е свързана с параметрите на материала, с пролуката на лентата в полупроводника, както и с енергията на падащия фотон.

Размерът на кристала е от решаващо значение, тъй като в рамките на малък обем, квантовите точки ограничават носителите на заряда и могат да събират излишна енергия, в противен случай тази енергия просто ще бъде загубена под формата на топлина.

Лабораторията смята, че елементите, базирани на MEG ефекта, са много достойни кандидати за титлата от ново поколение слънчеви панели.

Друг необичаен подход при създаването на слънчеви клетки беше предложен от Прашант Камат от Университета на Нотр Дам. Неговата група разработи боя на базата на квантови точки от титанов диоксид, покрити с кадмиев сулфид и кадмиев селенид под формата на водно-алкохолна смес.

Пастата се нанася върху стъклена плоча с проводим слой, след това се изпича и резултатът е фотоволтаична батерия, Субстратът, превърнат във фотоволтаичен панел, се нуждае само от електрод отгоре и е възможно да се получи електрически ток, като се постави на слънце.

Учените смятат, че в бъдеще ще бъде възможно да се създаде боя за автомобили и за къщи и по този начин да се превърне, да речем, покривът на къща или тялото на колата, боядисано с тази специална боя, в соларни панели. Това е основната цел на изследователите.

Въпреки че ефективността не е висока, само 1%, което е 15 пъти по-малко от конвенционалните силиконови панели, слънчевата боя може да се произвежда в големи обеми и то много евтино.По този начин енергийните нужди в бъдеще могат да бъдат задоволени, казват химиците от групата Камат, които наричат ​​децата си «Слънце-правдоподобен», което в превод означава „слънчево вероятно.“

Следваща необичайна метод за преобразуване на слънчевата енергия оферта в Масачузетския технологичен институт. Андреас Мершин и колегите му създадоха експериментални батерии, базирани на комплекс от биологични молекули, способни да "събират" светлина.

Фотосистемата PS-1, заимствана от цианобактерията Thermosynechococcus elongatus, е предложена от молекулярния биолог Шугуан Джан и няколко негови съмишленици 8 години преди началото на настоящите експерименти Андреас Мершин.

Ефективността на системите се оказа едва около 0,1%, но това вече е важна стъпка по пътя към масово въвеждане в ежедневието, защото разходите за създаването на такива устройства са изключително ниски и като цяло биологичните собственици могат да създават свои собствени батерии, използвайки набор от химикали и стек с прясно нарязана трева , Междувременно редица подобрения ще повишат ефективността до 1-2%, т.е. до търговско жизнеспособно ниво.

Предишни подобни клетки с фотосистеми можеха да работят разумно само при лазерна светлина, концентрирана строго върху клетката, а след това само в тесен диапазон на дължината на вълната. Освен това бяха необходими скъпи химикали и лабораторни условия.

Друг проблем беше, че молекулярните комплекси, извлечени от растенията, не можеха да съществуват дълго. Сега екипът на института е разработил набор от повърхностно активни пептиди, които обгръщат системата и я запазват за дълго време.

Повишавайки ефективността на събирането на светлината, екипът от Масачузетския технологичен институт реши проблема с защитата на фотосистемите от ултравиолетово лъчение, което преди това повреди фотосистемата.

PS-1 сега се засява не върху гладък субстрат, а върху повърхност с много голяма ефективна площ, това е тръби с титанов диоксид с дебелина 3,8 µm с пори 60 nm и плътни пръти от цинков оксид с височина няколко микрометра и диаметър няколкостотин нанометра ,

Тези варианти на фотоанода направиха възможно увеличаването на броя на хлорофилните молекули под светлина и защитиха комплексите PS-1 от ултравиолетовите лъчи, тъй като и двата материала ги абсорбират добре. В допълнение, титановите тръби и цинковите пръчки също играят ролята на рамка и действат като носители на електрон, докато PS-1 събира светлина, усвоява я и отделя зарядите, както се случва в живите клетки.

Клетка, изложена на слънце, дава напрежение от 0,5 волта с специфична мощност от 81 микроВт на квадратен сантиметър и плътност на фототока от 362 мкА на квадратен сантиметър, което е 10 пъти по-високо от всяка друга биоволтаична система, известна по-рано въз основа на естествените фотосистеми.

Сега нека поговорим соларни клетки на основата на органичен полимер, Ако установят масово производство, тогава те ще бъдат много по-евтини от конкурентите за силиций, въпреки факта, че вече са постигнали ефективност от 10,9%. Тандемна полимерна слънчева батерия, създаден от екип учени от Калифорнийския университет в Лос Анджелис (UCLA), има няколко слоя, всеки от които работи със собствена част от спектъра.

Успешната комбинация от различни вещества, които не се намесват помежду си, когато работят заедно, е най-важният момент. Поради тази причина авторите специално разработиха конюгирани полимери с ниска празнина.

През 2011 г. учените успяха да получат такава еднослойна полимерна клетка с ефективност от 6%, докато тандемната клетка показа ефективност от 8,62%. Работейки по-нататък, изследователите си поставиха за цел да разширят обхвата на работния спектър в инфрачервения регион и трябваше да добавят полимера на японската компания Sumitomo Chemical, благодарение на който успяха да постигнат ефективност от 10,9%.

Този най-успешен дизайн се състои от предна клетка, изработена от материал с голяма лента на лентата, и задна клетка с тясна лента на лентата.Авторите на разработката твърдят, че създаването на такъв конвертор, включително цената на материалите, не е много скъпо, освен това самата технология е съвместима с тънкослойните слънчеви панели, произведени днес.

Изглежда, че в следващите няколко години соларните клетки на базата на органични полимери ще станат търговски жизнеспособни, защото разработчиците планират да увеличат ефективността си до 15%, тоест до нивото на силиций.

Закръгляне на прегледа супер тънки слънчеви панели с дебелина 1,9 микронакойто е 10 пъти по-тънък от всички други батерии с тънък филм, създадени по-рано. Заедно японски и австрийски учени създадоха тънък органичен необичайно гъвкав слънчев панел. При демонстрацията продуктът беше увит около човешка коса с диаметър 70 µm.

За направата на батерията са използвани традиционни материали, но основата е от полиетилен терефталат с дебелина 1,4 микрона. С ефективност от 4,2%, специфичната мощност на новата слънчева батерия беше 10 вата на грам, което обикновено е 1000 пъти по-високо от съответния индикатор за многокристални силициеви батерии.

В тази връзка изглежда обещаващо развитието на области като „интелигентен текстил“ и „интелигентна кожа“, където освен соларни панели електронните микросхеми, създадени по подобна технология, могат да бъдат еднакво тънки и гъвкави.

Вижте също:5 необичайни дизайни на ветрогенератори