На сегодняшний день солнечные батареи на основе кремния – далеко не финал на пути обуздания энергии солнечного света и ее преобразования в полезную электрическую энергию. Многие работы ведутся учеными до сих пор, и в этой статье мы рассмотрим пять необычных решений, разработками которых занимаются некоторые из современных исследователей.
В американской национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) построена солнечная батарея на основе полупроводниковых кристаллов, размеры которых не превышают нескольких нанометров, это так называемые квантовые точки. Образец уже является рекордсменом по показателям внешней и внутренней квантовой эффективности, которые составили соответственно 114% и 130%.
Эти характеристики показывают отношение количества генерируемых пар электронов-дырок к количеству падающих на образец фотонов (внешняя квантовая эффективность) и отношение количества генерируемых электронов к количеству поглощенных фотонов (внутренняя квантовая эффективность) для определенной частоты.
Внешняя квантовая эффективность меньше внутренней, поскольку не все поглощенные фотоны участвуют в генерации, а часть фотонов, падающих на панель, просто отражается.
📷
Образец состоит из следующих частей: стекло в просветляющим покрытием, слой прозрачного проводника, далее наноструктурированные слои оксида цинка и квантовых точек селенида свинца, затем этандитиол и гидразин, а в качестве верхнего электрода тонкий слой золота.
Суммарный КПД такой ячейки составляет около 4,5%, но этого достаточно для экспериментально полученной достаточно высокой квантовой эффективности данного сочетания материалов, и значит впереди оптимизация и совершенствование.
Еще ни один солнечный элемент не показывал внешнюю квантовую эффективность выше 100%, в то время как уникальность данной разработки NREL и заключается в том, что каждый фотон, упавший на батарею создает на выходе больше одной пары электрон-дырка.
📷
Причиной успеха послужила множественная генерация экситонов (MEG), - эффект, который впервые использован для создания полноценной солнечной батареи, способной генерировать электричество. Интенсивность эффекта связана с параметрами материала, с шириной запрещенной зоны в полупроводнике, а также с энергией падающего фотона.
Решающее значение имеет размер кристалла, поскольку именно в пределах крошечного объема квантовые точки ограничивают носители заряда, и могут собирать избыточную энергию, иначе эта энергия бы просто терялась в виде тепла.
В лаборатории считают, что элементы на основе эффекта MEG – весьма достойные претенденты на звание солнечных батарей нового поколения.
Еще один необычный подход к созданию солнечных батарей предложил Прашант Камат из университета Нотр-Дама. Его группа разработала краску на основе квантовых точек диоксида титана, покрытых сульфидом кадмия и селенидом кадмия, в форме водно-спиртовой смеси.
Паста была нанесена на пластинку из стекла с проводящим слоем, затем был проведен обжиг, и в результате получилась фотогальваническая батарея. Подложке, превращенной в фотоэлектрическую панель, требуется только электрод сверху, и можно получать электрический ток, поместив ее на солнце.
📷
Ученые полагают, что в будущем можно будет создать краску для автомобилей и для домов, и таким образом превратить, скажем, крышу дома, или кузов автомобиля, покрашенные этой особой краской, в солнечные панели. Это и является главной целью исследователей.
📷
Хоть КПД и не высок, всего 1%, что в 15 раз меньше обычных кремниевых панелей, солнечная краска может быть произведена в больших объемах, и очень недорого. Так могут быть удовлетворены энергетические потребности в будущем, считают химики из группы Камат, называющие свое детище «Sun-Believable», что в переводе обозначает «Солнечно-вероятный».
Следующий необычный способ преобразования солнечной энергии предлагают в Массачусетском технологическом институте. Андреас Мершин с коллегами создали экспериментальные батареи на основе комплекса биологических молекул, способных «собирать» свет.
Фотосистема PS-1, заимствованная у цианобактерии Thermosynechococcus elongatus, была предложена молекулярным биологом Шугуаном Чжаном и несколькими его единомышленниками еще за 8 лет до начала нынешних экспериментов Андреасом Мершиным.
КПД систем получился всего около 0,1%, однако это уже важный шаг на пути массового внедрения в быт, ведь затраты на создание таких устройств чрезвычайно низки, и вообще, биологические батареи могут создавать сами их владельцы, используя набор химических реактивов и стог свежескошенной травы. А между тем, ряд усовершенствований позволит поднять КПД до 1-2%, т.е. до коммерчески жизнеспособного уровня.