Добиться полной прозрачности панелей солнечных батарей удалось исследователям из Мичиганского Университета. Это достижение делает возможным превращение любого окна или экранных поверхностей (например, вашего смартфона), в солнечный фотоэлектрический элемент. В отличие от прежних разработок, о которых сообщалось ранее, этот вариант батареи практически полностью прозрачный, в этом можно убедиться, взглянув на фотографию выше.
Руководитель исследований Ричард Лунт сообщил, что есть уверенность в том, что такие солнечные батареи на самом деле могут быть применимы в очень широком диапазоне: от окон многоэтажек до экранов мобильных девайсов, таких как телефон или электронная книга.
С научной точки зрения прозрачная панель солнечной батареи является чем-то вроде оксюморона. Солнечные батареи, дейтвующие по принципу фотоэклектрического эффекта, поглощают фотоны (солнечный свет), преобразовывая их затем в элетроны (электричество). Но если материал, который вы видите, прозрачен, это значит, что солнечный свет не был поглощен, а прошел сквозь него, достигнув сетчатки вашего глаза. Именно этот момент не могли раньше обойти разработчики, стараясь создать полностью прозрачные солнечные батареи. Они (батареи) были частично прозрачные, и, вдобавок ко всему, как правило, имели радужные разводы.
Чтобы решить эту проблему, исследователи Мичиганского Университета использовали несколько другую технологию «собирания» солнечных лучей.
Отказавшись от попыток создать полностью прозрачный фотоэлектрический элемент (что почти невозможно), они использовали так называемый прозрачный люминесцентный солнечный концентратор (TLSC )
TLSC –материал, состоящий из органических солей, поглощает невидимое глазу излучение ультрафиолетового и инфракрасного спектра, которое затем преобразовывает в инфракрасные волны определенной длины (тоже невидимые для глаз). Полученное инфракрасное излучение направляется к краям пластины, где тонкие полоски фотоэлектрических солнечных батарей уже обычного действия преобразовывают его в электричество.
Если вы внимательно присмотритесь, то увидите черные полоски на срезе листа пластика. Таким образом, из-за того, что органический материал составляет большую часть солнечной панели, она высоко прозрачна.
На сегодняшний день КПД мичиганского TLSC пластика составляет 1%. Однако, по мнению ученых, вполне вероятно, может быть доведен до 5%.
Аналогичные Непрозрачные люминисцентные концентраторы, (заполняющие комнату радужным светом), имеют максимальное КПД 7%. Сами по себе эти цифры не являются огромными и не впечатляют, но в большом масштабе – например, при использовании в каждом окне дома или офиса, цифра быстро увеличивается.
Кроме того, пока не создана технология, поддерживающая беспрерывную работу вашего смартфона или телефона в течение неопределенного срока, замена дисплея устройства на изготовленный из TLSC экран, может увеличить на несколько минут или часов срок его работы на аккумуляторе без подзарядки.
Разработчики уверены, что технология может получить широкое распространение: от применения в глобальных промышленных масштабах до бытового домашнего уровня. До сих пор одним из самых больших препятствий на пути широкомасштабного использования солнечных батарей, была их громоздкость и неэстетичность. Очевидно, если станет возможно преобразовывать солнечный свет в злектроэнергию с помощью листов стекла или пластика, ничем не отличающихся от обычных, применение таких солнечных панелей будет разносторонним.
Окна впускают в дом свет, а вместе с ним и солнечное тепло. Существует множество технологий пассивного регулирования света из окон с целью уменьшения или увеличения количества поступающего тепла. А ведь это тепло, по сути – энергия, которую теоретически можно преобразовать в электричество. Ученые из Министерства энергетики США разработали прозрачную солнечную пленку, которая позволит превратить окна в экологичные генераторы электроэнергии.
Понятно, что для максимально эффективного использования солнечной энергии коллекторы должны располагаться в местах непосредственного контакта с солнечными лучами. До сих пор таковыми считались только крыши домов. Новая разработка позволит расширить применение солнечных технологий еще и на поверхности окон.
Совместная разработка ученых Брукхэвенской национальной лаборатории и Лос-Аламосской национальной лаборатории представляет собой прозрачную тонкую пленку, способную поглощать свет и генерировать электрический заряд. Материал, описанный в журнале «Chemistry of Materials», можно было бы использовать для создания прозрачных панелей солнечных батарей или даже окон, поглощающих солнечную энергию и вырабатывающих электричество.
Новый материал состоит из полупроводниковых полимеров с добавлением фуллеренов – молекул, состоящих из шести атомов углерода. При точном соблюдении условий технологического процесса материал самостоятельно структурируется, создавая на относительно большой (в несколько миллиметров) площади повторяющийся узор из шестигранных ячеек микронного размера (структура, изначально свойственная фуллеренам).
«Такие тонкие сотовые пленки уже создавались из обычных полимеров вроде полистирола, но наш материал впервые сочетает в себе полупроводники и фуллерены, что дает ему возможность поглощать свет, а также эффективно генерировать и разделять электрические заряды», – заметил Мирче Котлет, физхимик из Брукхэвенского Центра функциональных наноматериалов (CFN).
Кроме того, материал остается практически прозрачным, поскольку при добавлении фуллеренов полимерные цепи выстраиваются по краю микронных шестиугольников, а в центре их слой остается неплотным и очень тонким. Как пояснил Котлет, более плотные края шестиугольников усиленно поглощают свет и могут способствовать проведению электричества, в то время как их центральная часть относительно прозрачна, а потому поглощает очень мало света.
«Сочетание этих особенностей при достижении крупномасштабного структурирования сделает возможным практическое применение технологии, например, для создания энергогенерирующих солнечных окон, прозрачных панелей солнечных батарей или новых видов дисплеев», – заявил Чжихуа Сюй, ученый-материаловед из CFN.
Для получения солнечной сотовой пленки ученые пропустили сквозь тонкий слой смешанного раствора полимера и фуллерена поток крошечных (микронных) капель воды. В растворе полимера эти капли воды самоорганизовались в большие матрицы. После полного испарения растворителя полимер принял форму гексагональной сотовой решетки достаточно большой площади. По утверждениям разработчиков, этот метод достаточно эффективен для того, чтобы применяться не только в лабораторных условиях, но и в масштабах промышленного производства.
Ученые проверили равномерность сотовой структуры при помощи различных методов сканирования и электронной микроскопии, а также протестировали оптические свойства и эффективность формирования заряда на разных частях сотовой структуры (по краям, в центре ячеек, в местах пересечения отдельных ячеек) с помощью регулируемой во времени софокусной флуоресцентной микроскопии.
Оказалось, что степень уплотнения полимера определяется скоростью испарения растворителя, что, в свою очередь, влияет на скорость переноса заряда сквозь материал. Чем медленнее испаряется растворитель, тем плотнее располагается полимер, и тем лучше переносится заряд.
«Наша работа позволила глубже понять оптические свойства сотовой структуры. Следующий шаг – использование этих тонких сотовых пленок для изготовления прозрачных, гибких и экологически чистых солнечных элементов и других устройств», – заключил Мирче Котлет.
Исследователи из Мичиганского государственного университета , который при этом преобразует солнечный свет в электроэнергию. По сравнению с предыдущими условно-прозрачными материалами этот действительно выглядит как стекло. В перспективе его можно будет поставить вместо стекла в окно жилого дома и получать дополнительную дармовую энергию, или превратить в экран смартфона/планшета, чтобы он подзаряжался самостоятельно.
Конечно, солнечная панель для получения электричества должна улавливать фотоны, которые будут генерировать энергию. А значит, она не может быть полностью прозрачной. Поэтому предыдущие версии таких материалов были полупрозрачными . В чём подвох?
В новом материале используется технология "солнечного концентратора ". Содержащиеся в нём органические соли поглощают невидимое (ультрафиолетовое и инфракрасное) излучение. Оказавшись внутри панели, всё излучение переходит в инфракрасный диапазон. Это излучение, отражаясь от плоскостей панели изнутри, проникает к её краям. Там его встречают узкие полоски из обыкновенных фотовольтаических панелей, которые и поглощают свет, выделяя энергию.
Пока эффективность сбора энергии у пробных панелей составляет 1%. Учёные считают, что этот показатель можно увеличить до 5%. Максимальный КПД для непрозрачных солнечных концентраторов составляет 7%. Конечно, это очень мало, по сравнению с современными солнечными панелями, у которых КПД серийных образцов достигает 25% , а в лабораториях доходит и до 50%. Зато прозрачные преобразователи энергии могут быть установлены в дома вместо обычных стёкол. Если представить себе целый небоскрёб, в котором вся поверхность перерабатывает энергию, то полученное число уже будет достаточно внушительным.
Сравнительно недавно на рынке солнечной энергии стали появляться инновационные разработки, которые предполагают применение оконных стекол в качестве солнечных батарей. Это очень перспективная технология, которая может найти применение не только в городских высотках, но и во многих иных отраслях. При этом над возможностью преобразования окон в окна батареи работает множество компаний.
Одни предлагают устанавливать тонкие полосы кремниевых фотоэлементов прямо между стеклами в стеклопакетах. По внешнему виду подобные окна батареи напоминают открытые жалюзи, в результате они не перекрывают вид из окна. Другие предлагают использовать для окон стекла со специальным полупрозрачным покрытием. Подобный слой является активным, он преобразует световое излучение в электрическую энергию, аккумулируя в специальных полупрозрачных проводниках. Другие предлагают наклеивать на стекло пленку, обладающую свойствами .
Устройство
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.
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.
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.
Достоинства и недостатки
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.
Перспективы и применение
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.
Как известно, классические солнечные панели темного цвета либо синего, либо почти черного. Из-за этого они зачастую очень сильно выделяются на фоне здания, внося ощутимый диссонанс в его архитектурный стиль. Кроме того, цветовые особенности приходится учитывать и проектировщикам при разработке современных энергоэффективных зданий и малых архитектурных форм. Решение этой проблемы было найдено не так давно: ученые разработали прозрачные солнечные батареи для фасадов и систем остекления.
Сфера применения прозрачных панелей весьма обширна:
- Остекление фасадов;
- Возведение зимних садов;
- Строительство теплиц и животноводческих комплексов;
- Остекление павильонов;
- Создание стеклянных крыш и внутренних двориков (атриумов);
- Остекление мансард и пентхаусов;
- Создание разного рода солнцезащитных систем (над зонами отдыха, бассейнами и т.д.).
Главная особенность таких панелей заключается в использовании невидимого спектра солнечных лучей, его инфракрасной и ультрафиолетовой частей. При этом поглощение и «переработка» инфракрасного излучения имеют еще одно преимущество – минимизация теплового воздействия. Дело в том, что перегрев фотопанелей, из-за которого они нуждаются в дополнительном охлаждении, вызывает именно ИК-спектр. Прозрачные же модели поглощают ИК-лучи, и они не разогревают сами панели. Это означает, что появляется возможность отказаться от систем охлаждения и снизить общие расходы на установку гелиополя.
Нюансы конструкции
В настоящее время выпускаются прозрачные панели двух типов: на стеклянных основаниях и на гибких подложках. Гибкие варианты напоминают тонировочную пленку и предназначены для наклеивания на прозрачные конструкции (окна, панели остекления фасадов и т.д.). Их светопропускная способность достигает 70%, что фактически не сказывается на уровне освещенности помещения. Создаются они из гибкого композитного материала, схожего с пластиком. Использование современных разработок позволяет минимизировать затраты на производство подобных пленок и сделать их изготовление экономически выгодным.
Второй вариант прозрачных панелей – нанесение двухслойной пленки на основание из закаленного стекла. Для возведения фасадов применяются именно такие панели. На закаленную стеклянную подложку (нередко – триплекс) наносится тонкая пленка аморфного кремния последнего поколения. Сверху на нее напыляется прозрачная микропленка кремния. Аморфный кремний преобразует видимый спектр, а микропленка – ИК-лучи.
Причем, благодаря использованию особых красящих веществ, ученые смогли придавать прозрачным фасадным панелям практически любой оттенок. Это означает, что с помощью таких батарей можно создавать любые фасадные композиции. Кроме того, разработчики активно используют в прозрачных панелях органические красители, обладающие фотоэлектрическими свойствами.
Такая технология позволяет повысить КПД изделия, одновременно придав ему нужный цвет. Органический краситель дополняется нанокомпонентами, помещается между двумя стеклянными подложками, а стыки заполняются стеклянным порошком. Затем полученный «сэндвич» запекается при температурах порядка 600°С. В итоге получается бескремниевая фотопанель с КПД около 4%. Правда, стоимость подобных изделий пока что превышает экономическую выгоду от их массового производства.
Производительность прозрачных панелей
Несмотря на массу достоинств, прозрачные фасадные панели имеют и некоторые недостатки, которые пока что мешают их повсеместному распространению. Главный же ограничитель заключается в низкой производительности. КПД подобных изделий пока лишь немногим более 1%. Однако ученые ведут активные работы по улучшению энерговыработки и рассчитывают в ближайшем будущем довести КПД до 5%. Этого будет достаточно для начала промышленного производства и внедрения прозрачных фасадных панелей.
Малая производительность будет окупаться легкостью монтажа и отсутствием необходимости поиска дополнительного места установки. В конечном итоге затраты на монтаж таких панелей будут не больше расходов на размещение обычных кремниевых фотобатарей. Значительная же площадь стеклянных конструкций (которые в своем обычном виде, по сути, не приносят никакой практической пользы) позволит им вырабатывать вполне ощутимое количество электроэнергии.
Еще одно перспективное направление, возможное при увеличении КПД, - использование таких «фотостекол» в экранах ноутбуков, планшетов, смартфонов и т.д.
