Прорив у сонячнійіндустрії: вчені створили «ідеальний» сонячнийнакопичувач

Ідеальний сонячний абсорбер
Прорив у сонячнійіндустрії: вчені створили «ідеальний» сонячнийнакопичувач

З часу створення перших фотоелектричних панелей вчені постійно працювали над підвищенням їх продуктивності. Інвестиції в сонячні батареї щорічно зростали. Це посприяло створення нових матеріалів, що більш ефективно поглинають світло, а також способів обробки поверхонь, котрі адсорбують фотони. У певний момент стало ясно, що кращими осередками стануть ті, текстура поверхні яких дозволить поглинати всі довжини хвиль сонячного спектра. Залишилося лише розробити відповідну технологію. І тут виникли серйозні складнощі.

Складнощізміни текстури поверхні сонячних осередків

П’ять десятиліть головним матеріалом фотоелектричних модулів був кремній. Панелі з цього напівпровідника домінують на ринку і зараз, але в основному через доступність та порівняну дешевизну виробництва кремнієвих кристалів. Однак в осередків даного типу є кілька нездоланних недоліків:

  • потенційномаксимальний ККД Mono-Si модулів складатиме 32%;
  • ідеально відполірована поверхня кремнію відбиває майже половину падаючого світлового потоку;
  • механічна зміна текстури цього хімічного елемента з метою зменшення відбивної здатності, призводить до падіння ККД перетворення, і загальна ефективність зростає повільними темпами;
  • спроба впливу методом хімічного травлення не дозволяє отримати складні поверхневі структури пірамідальної форми, з різними кутами відбиття для світла певної довжини хвилі.

Вочевидь, яскраво виражена селективність поглинання фотонів, в залежності від їх спектральних характеристик, вимагає застосування інших матеріалів та принципово нових технологій. Після їх масового впровадження продуктивність фотоелектричних панелей виросте настільки, що необхідність в таких формах державного субсидування, як пільговий податок на сонячні батареї в Європі або штучно завищений зелений тариф в Україні просто не знадобляться.

Селективне поглинання світла – що це таке

Перші спроби «розділити» пучок електромагнітного випромінювання на складові полягали в створенні на поверхні осередків мікровідбивачів певного розміру та форми – різних для кожної довжини хвилі. Проблема таких текстур полягала в низькій оптичній ефективності. Через мікроскопічні розміри в діапазоні 40-200 нанометрів ідеальному формуванню на кремнієвій поверхні вони не піддавалися.

Рішення знайшлося в застосуванні нанокристалів з інших матеріалів – золота, олова, індію та інших. Їх оптичні характеристики, завдяки іншій морфології, виявилися значно кращими, а нанесення на поверхню осередків здійснювалося двома способами:

  • електрохімічним напиленням в потоці плазми з подальшим лазерним гравіюванням;
  • створенням суспензії на основінаночастинок з циркуляцією над PV-елементами.

Завдяки цьому світловий потік селективно поділявся на «спектральні порції», а відбиття ставало настільки низьким, що поверхня здавалася абсолютно чорною.

Крім того, проведення дослідів на прототипах показало, що поєднання мікроскопічних золотих «стовпчиків» і «пірамідок» з оксидів індію та олова дозволяє поглинати до 80% енергії з так званої «забороненої зони» для будь-якого матеріалу-напівпровідника, що чисельно відповідає зростанню ККД на 130% в порівнянні з необробленою поверхнею.

Створення ідеального абсорбера

Однією з останніх робіт в даному напрямку були осередки з селективним поділом пучка фотонів від групи фахівців Рочестерського університету (США) під керівництвом американця китайського походження Чунь-Лей Го. Для створення наноструктурдослідниками були використані лазери з ультракороткою частотою спалахів 2-8 фемтосекунд.

Результати виявилися наступними:

  1. По-перше, поверхня, оброблена таким чином, відбивала всього 0,0003% падаючого світла, тобто являла собою майже ідеальний абсорбер.
  2. По-друге, важливою перевагою гравійованих осередків стала здатність ефективно ловити хвилі інфрачервоної, теплової частини спектра. Потенційно це уможливило створення симбіозу фотоелектричної та термоелектричної систем, батареї яких зможуть виробляти електрику як класичні панелі та тепловий електрогенератор одночасно.
  3. По-третє, після довгих пошуків та проб з усіх можливих матеріалів для створення наноструктур був обраний вольфрам – метал досить дешевий таводночас володіє низкою додаткових корисних фізико-технічних властивостей.

Примітно, що фінансування дослідження здійснювалося такими різними організаціями, як Американський науковий фонд, дослідний сектор армії США та найбільший у світі благодійний фонд подружжя Гейтс –Мелінди та Білла.

Корисні побічні ефекти технології

Ще одним цікавим фактом є спеціалізація фізика за освітою, професора Чунь-Лей Го. Останні роки він разом з групою працював у сфері використання нанотехнологій для обробки металів, а не фотовольтаїки. Ідея застосування фемтосекундних лазерів призвела до створення металів з такими надзвичайними властивостями, як відштовхування або притягання води. У першому випадку гідрофобні властивості металевих виробів не дозволяли їм тонути, незалежно від часу перебування на воді або ступеня пошкоджень поверхні – незамінна знахідка, наприклад, для кораблебудування та авіапромисловості.

Ще одним корисним «побічним» ефектом технології виявилася можливість надавати металу абсолютно будь-який колір –завдякивідбиттю від поверхні лише електромагнітних хвиль строго визначеної довжини. Таким шляхом з однаковою легкістю можна викарбувати абсолютно чорну поверхню сонячної панелі або кольорову фотографію на обручці малого розміру з неймовірною деталізацією – аж до кольору очей нареченої та відтінку краватки нареченого.

Поглинання світла рідкоземельними тонкоплівковимибатареями

На світовому ринку та в Україні панелі рівня Рочестерського прототипів поки не з’явилися, але стандартні кремнієві модулі стали все частіше замінятися тонкоплівковими гібридами. Особливо вигідні в кліматичних умовах середньої смуги батареї американського гранда FirstSolar на базі рідкоземельного телуриду кадмію (CdTe).

Середньорічна продуктивність таких осередків на 20% вище, ніж у Mono-Si та Poli-Si, перш за все завдяки більш широкій зоні поглинання спектра фотонів та ефективномувідбиваючому шару.

Ознайомитися з асортиментом, замовити монтаж сонячних електростанцій «під ключ» та отримати відповіді на будь-які технічні та фінансові питання Ви можете за допомогою звернення до менеджерів за телефоном або на відповідних розділах офіційного сайту нашої компанії GreenTechTrade.

Будівництво сонячних
електростанцій "під ключ"

Готові інвестиційні проекти