Солнечные «нанобатареи» дешевле и перспективнее кремниевых
Похоже, индустрию производства панелей для преобразования солнечной энергии в электрическую в ближайшее время ждут значительные потрясения технологического плана. По крайней мере, в этом полностью уверены исследователи из государственного университета штата Огайо (Ohio State University), на днях представившие свою технологию производства пластиковых солнечных ячеек. По мнению учёных, будущее - за солнечными элементами из композитных наноматериалов, которые по многим параметрам эффективнее традиционных кремниевых решений. Более того, в перспективе всего нескольких лет учёные предсказывают, что органические солнечные батареи смогут обеспечить себестоимость производства электроэнергии на уровне традиционных способов и даже лучше.
По словам изобретателя технологии, профессора Юин Ву (Yiying Wu), себестоимость производства органически синтезированных солнечных элементов уже сейчас значительно меньше, чем типичных решений на базе поликристаллического кремния. Сейчас типичный КПД солнечных батарей на базе аморфного поликристаллического кремния редко превышает 10-15% (есть и 40%, но это пока рекорды лабораторий). КПД органических солнечных батарей, созданных группой исследователей под руководством профессора Ву, тоже пока особенно не впечатляет - что-то около 9%, однако при себестоимости производства таких батарей, в четыре раза меньшей чем у кремниевых вариантов, такая эффективность весьма интересна. Основная задача, которую поставила группа учёных из государственного университета штата Огайо на ближайшие годы, заключается в повышении КПД органических пластин.
Ключевая особенность технологии органических солнечных ячеек, изготовленных методом многослойного синтеза, заключается в том, что фотоны в таких ячейках поглощаются недорогим тонкоплёночным покрытием, имеющим толщину в несколько молекул и расположенным на слое оксида титана, на стекляной или пластиковой подложке. Поглощение фотона ячейкой приводит к результирующему появлению электронов в слое титанового материала, который, в свою очередь, переносит их к отрицательному электроду. Усиление эффективности таких солнечных ячеек ведётся по двум направлениям: в первом случае повышение эффективной площади тонкоплёночного светопоглощающего слоя производится с помощью нанесения наночастиц материала; во втором случае учёные пытаются заменить наночастицы на нанотрубки или нанопроводники.
Нанотрубки и нанопроводники имеют отличные характеристики по транспортировке электронов, но хуже покрывают площадь чем наночастицы. Наночастицы, в свою очередь, более плотно покрывают площадь и, соответственно, более эффективно поглощают фотоны, однако из-за "зернистой" структуры получаемого материала менее пригодны для транспортировки электронов. Сейчас учёные как раз работают над комбинированным применением двух первых методик для создания высокоэффективного композита.
Прототипы батарей на базе композитного материала с нанотрубками и наночастицами, уже созданные в лаборатории профессора Ву, позволяют добиться 8,6% КПД при толщине слоя всего 10 мкм. Эксперименты учёных по "выращиванию" вертикально ориентированных нанопроводников на подложке из оксида титана, с наночастицами, расположенными между нанопроводниками, может позволить поднять КПД таких ячеек до 10-15%, что уже сравнимо с решениями на базе поликристаллического кремния.
В заключение можно также упомянуть, что учёные лаборатории профессора Ву также экспериментируют с рядом альтернативных технологий производства солнечных батарей, например, с ветвлящейся архитектурой "нанодеревьев", с различными типами подложек (рутений), с различными окислами для подложек (триоксид титана), а также с альтернативными материалами (солями цинка). Возможно, для наших широт солнечные батареи в любом случае не станут серьёзным источником электричества, но в масштабах планеты появление недорогих солнечных батарей вполне способно уменьшить растущий энергетический голод.
По словам изобретателя технологии, профессора Юин Ву (Yiying Wu), себестоимость производства органически синтезированных солнечных элементов уже сейчас значительно меньше, чем типичных решений на базе поликристаллического кремния. Сейчас типичный КПД солнечных батарей на базе аморфного поликристаллического кремния редко превышает 10-15% (есть и 40%, но это пока рекорды лабораторий). КПД органических солнечных батарей, созданных группой исследователей под руководством профессора Ву, тоже пока особенно не впечатляет - что-то около 9%, однако при себестоимости производства таких батарей, в четыре раза меньшей чем у кремниевых вариантов, такая эффективность весьма интересна. Основная задача, которую поставила группа учёных из государственного университета штата Огайо на ближайшие годы, заключается в повышении КПД органических пластин.
Ключевая особенность технологии органических солнечных ячеек, изготовленных методом многослойного синтеза, заключается в том, что фотоны в таких ячейках поглощаются недорогим тонкоплёночным покрытием, имеющим толщину в несколько молекул и расположенным на слое оксида титана, на стекляной или пластиковой подложке. Поглощение фотона ячейкой приводит к результирующему появлению электронов в слое титанового материала, который, в свою очередь, переносит их к отрицательному электроду. Усиление эффективности таких солнечных ячеек ведётся по двум направлениям: в первом случае повышение эффективной площади тонкоплёночного светопоглощающего слоя производится с помощью нанесения наночастиц материала; во втором случае учёные пытаются заменить наночастицы на нанотрубки или нанопроводники.
Нанотрубки и нанопроводники имеют отличные характеристики по транспортировке электронов, но хуже покрывают площадь чем наночастицы. Наночастицы, в свою очередь, более плотно покрывают площадь и, соответственно, более эффективно поглощают фотоны, однако из-за "зернистой" структуры получаемого материала менее пригодны для транспортировки электронов. Сейчас учёные как раз работают над комбинированным применением двух первых методик для создания высокоэффективного композита.
Прототипы батарей на базе композитного материала с нанотрубками и наночастицами, уже созданные в лаборатории профессора Ву, позволяют добиться 8,6% КПД при толщине слоя всего 10 мкм. Эксперименты учёных по "выращиванию" вертикально ориентированных нанопроводников на подложке из оксида титана, с наночастицами, расположенными между нанопроводниками, может позволить поднять КПД таких ячеек до 10-15%, что уже сравнимо с решениями на базе поликристаллического кремния.
В заключение можно также упомянуть, что учёные лаборатории профессора Ву также экспериментируют с рядом альтернативных технологий производства солнечных батарей, например, с ветвлящейся архитектурой "нанодеревьев", с различными типами подложек (рутений), с различными окислами для подложек (триоксид титана), а также с альтернативными материалами (солями цинка). Возможно, для наших широт солнечные батареи в любом случае не станут серьёзным источником электричества, но в масштабах планеты появление недорогих солнечных батарей вполне способно уменьшить растущий энергетический голод.
61