5 niezwykłych paneli słonecznych przyszłości

Dzisiaj silikonowe panele słoneczne - daleko od finału na ścieżce do ograniczenia energii światła słonecznego i jej przekształcenia w użyteczną energię elektryczną. Wiele prac jest wciąż prowadzonych przez naukowców, aw tym artykule rozważymy pięć niezwykłych rozwiązań, które opracowują niektórzy z współczesnych badaczy.

Powstaje American National Renewable Energy Laboratory (NREL) bateria słoneczna na bazie kryształów półprzewodnikowych, których rozmiary nie przekraczają kilku nanometrów, są to tak zwane kropki kwantowe. Próbka jest już mistrzem pod względem zewnętrznej i wewnętrznej wydajności kwantowej, która wyniosła odpowiednio 114% i 130%.

Te cechy pokazują stosunek liczby generowanych par elektron-dziura do liczby fotonów padających na próbkę (zewnętrzna wydajność kwantowa) oraz stosunek liczby generowanych elektronów do liczby zaabsorbowanych fotonów (wewnętrzna wydajność kwantowa) dla określonej częstotliwości.

Zewnętrzna wydajność kwantowa jest mniejsza niż wewnętrzna, ponieważ nie wszystkie pochłonięte fotony uczestniczą w generowaniu, a niektóre fotony padające na panel są po prostu odbijane.

Próbka składa się z następujących części: szkło w powłoce antyodbiciowej, warstwa przezroczystego przewodnika, następnie nanostrukturalne warstwy tlenku cynku i kropki kwantowe selenku ołowiu, następnie etanoditiol i hydrazyna oraz cienka warstwa złota jako elektrody górnej.

Całkowita wydajność takiego ogniwa wynosi około 4,5%, ale to wystarcza do eksperymentalnie uzyskanej dość wysokiej wydajności kwantowej tej kombinacji materiałów, co oznacza, że ​​optymalizacja i ulepszenia są przed nami.

Żadne ogniwo słoneczne nie wykazało zewnętrznej wydajności kwantowej powyżej 100%, podczas gdy wyjątkowość tego rozwoju NREL polega na tym, że każdy foton, który spada na akumulator, tworzy więcej niż jedną parę elektron-dziura na wyjściu.

Powodem sukcesu była wielokrotna generacja ekscytonów (MEG), efekt, który po raz pierwszy wykorzystano do stworzenia pełnoprawnej baterii słonecznej zdolnej do wytwarzania energii elektrycznej. Intensywność efektu jest związana z parametrami materiału, z pasmem pasmowym w półprzewodniku, a także z energią padającego fotonu.

Rozmiar kryształu ma kluczowe znaczenie, ponieważ w niewielkiej objętości kropki kwantowe ograniczają nośniki ładunku i mogą gromadzić nadmiar energii, w przeciwnym razie energia ta zostałaby po prostu utracona w postaci ciepła.

Laboratorium uważa, że ​​elementy oparte na efekcie MEG są bardzo godnymi kandydatami do tytułu nowej generacji paneli słonecznych.

Inne niezwykłe podejście do tworzenia ogniw słonecznych zasugerował Prashant Kamat z University of Notre Dame. Jego grupa opracowała barwnik oparty na kropkach kwantowych ditlenku tytanu pokrytych siarczkiem kadmu i selenkiem kadmu w postaci mieszaniny woda-alkohol.

Pastę nałożono na szklaną płytkę z warstwą przewodzącą, a następnie wypalono i uzyskano wynik bateria fotowoltaiczna. Podłoże przekształcone w panel fotowoltaiczny potrzebuje tylko elektrody na górze i możliwe jest uzyskanie prądu elektrycznego poprzez umieszczenie go na słońcu.

Naukowcy uważają, że w przyszłości możliwe będzie tworzenie farb do samochodów i domów, a tym samym przekształcenie, powiedzmy, dachu domu lub nadwozia samochodu, pomalowanego tą specjalną farbą, w panele słoneczne. To jest główny cel badaczy.

Chociaż wydajność nie jest wysoka, tylko 1%, czyli 15 razy mniej niż konwencjonalne panele silikonowe, farba słoneczna może być produkowana w dużych ilościach i bardzo niedrogo.W ten sposób można zaspokoić potrzeby energetyczne w przyszłości, mówią chemicy z grupy Kamat, którzy nazywają swoje potomstwo „Nie do wiary”, co tłumaczy się jako „prawdopodobne słonecznie”.

Kolejne niezwykłe metoda konwersji energii słonecznej oferta w Massachusetts Institute of Technology. Andreas Mershin i współpracownicy stworzyli eksperymentalne baterie oparte na kompleksie cząsteczek biologicznych zdolnych do „zbierania” światła.

System fotos PS-1, zapożyczony z cyjanobakterii Thermosynechococcus elongatus, został zaproponowany przez biologa molekularnego Shuguan Zhanga i kilku jego podobnie myślących ludzi 8 lat przed rozpoczęciem obecnych eksperymentów, Andreasa Mershina.

Wydajność systemów okazała się wynosić tylko około 0,1%, ale jest to już ważny krok na drodze do masowego wprowadzenia do codziennego życia, ponieważ koszty stworzenia takich urządzeń są niezwykle niskie, a na ogół właściciele biologiczni mogą tworzyć własne akumulatory przy użyciu zestawu chemikaliów i stosu świeżo skoszonej trawy . Tymczasem szereg ulepszeń zwiększy wydajność do 1-2%, tj. do komercyjnie opłacalnego poziomu.

Wcześniej podobne komórki ze zdjęciowymi układami mogły działać rozsądnie tylko w świetle lasera skoncentrowanym ściśle na komórce, a następnie tylko w wąskim zakresie długości fal. Ponadto potrzebne były drogie chemikalia i warunki laboratoryjne.

Innym problemem było to, że kompleksy molekularne ekstrahowane z roślin nie mogły istnieć długo. Teraz zespół instytutu opracował zestaw peptydów powierzchniowo czynnych, które otaczają system i zachowują go przez długi czas.

Zwiększając efektywność zbierania światła, zespół Massachusetts Institute of Technology rozwiązał problem ochrony fotosystemów przed promieniowaniem ultrafioletowym, które wcześniej uszkodziło fotosystem.

PS-1 wysiano teraz nie na gładkim podłożu, ale na powierzchni o bardzo dużej powierzchni efektywnej, były to rurki z dwutlenku tytanu o grubości 3,8 μm o porach 60 nm oraz gęste pręty z tlenku cynku o wysokości kilku mikrometrów i średnicy kilkuset nanometrów .

Te warianty fotoanody umożliwiły zwiększenie liczby cząsteczek chlorofilu w świetle i chroniły kompleksy PS-1 przed promieniami ultrafioletowymi, ponieważ oba materiały dobrze je absorbują. Ponadto tytanowe rurki i pręty cynkowe również pełnią rolę szkieletu i działają jako nośniki elektronów, podczas gdy PS-1 zbiera światło, asymiluje je i rozdziela ładunki, jak to ma miejsce w żywych komórkach.

Ogniwo wystawione na słońce dawało napięcie 0,5 wolta o mocy właściwej 81 mikroW na centymetr kwadratowy i gęstość fotoprądu 362 μA na centymetr kwadratowy, czyli 10 razy wyższą niż jakikolwiek inny znany system biowoltaiczny oparty na naturalnych fotosystemach.

Porozmawiajmy teraz ogniwa słoneczne na bazie polimerów organicznych. Jeśli wprowadzą masową produkcję, będą znacznie tańsi niż konkurenci krzemowi, mimo że osiągnęli już wydajność 10,9%. Tandemowa polimerowa bateria słoneczna, utworzony przez zespół naukowców z University of California w Los Angeles (UCLA), ma kilka warstw, z których każda współpracuje z własną częścią spektrum.

Najważniejsza jest udana kombinacja różnych substancji, które nie przeszkadzają sobie podczas współpracy. Z tego powodu autorzy specjalnie opracowali skoniugowane polimery o niskiej szczelinie pasmowej.

W 2011 r. Naukowcom udało się uzyskać takie jednowarstwowe ogniwo polimerowe o wydajności 6%, natomiast ogniwo tandemowe wykazało wydajność 8,62%. Pracując dalej, naukowcy postanowili rozszerzyć zakres spektrum roboczego w regionie podczerwieni i musieli dodać polimer japońskiej firmy Sumitomo Chemical, dzięki czemu udało im się osiągnąć sprawność 10,9%.

Ten najbardziej udany projekt składa się z przedniej komórki wykonanej z materiału z dużą przerwą pasmową i tylnej komórki z wąską szczeliną pasmową.Autorzy opracowania twierdzą, że stworzenie takiego konwertera, w tym kosztów materiałów, nie jest bardzo drogie, a ponadto sama technologia jest kompatybilna z cienkowarstwowymi panelami słonecznymi produkowanymi obecnie.

Wydaje się, że w ciągu najbliższych kilku lat ogniwa słoneczne na bazie polimerów organicznych staną się komercyjnie opłacalne, ponieważ deweloperzy planują zwiększyć ich wydajność do 15%, czyli do poziomu krzemu.

Uzupełnienie recenzji super cienkie panele słoneczne o grubości 1,9 mikronaktóry jest 10 razy cieńszy niż jakiekolwiek inne cienkowarstwowe akumulatory utworzone wcześniej. Japońscy i austriaccy naukowcy wspólnie stworzyli cienki organiczny niezwykle elastyczny panel słoneczny. Podczas demonstracji produkt owinięto wokół ludzkich włosów o średnicy 70 μm.

Do wykonania baterii zastosowano tradycyjne materiały, ale podłoże wykonano z politereftalanu etylenu o grubości 1,4 mikrona. Przy wydajności wynoszącej 4,2% moc właściwa nowego akumulatora słonecznego wynosiła 10 watów na gram, co jest na ogół 1000 razy wyższa niż odpowiedni wskaźnik dla akumulatorów z krzemu wielokrystalicznego.

Pod tym względem obiecujące wydaje się opracowanie takich obszarów, jak „inteligentne tkaniny” i „inteligentna skóra”, w których oprócz paneli słonecznych elektroniczne mikroukłady utworzone przy użyciu podobnej technologii mogą być równie cienkie i elastyczne.

Zobacz także:5 nietypowych konstrukcji generatorów wiatrowych