Прорыв в солнечной индустрии: ученые создали «идеальный» солнечный накопитель

Идеальный солнечный абсорбер с помощью гравировки
Прорыв в солнечной индустрии: ученые создали «идеальный» солнечный накопитель

С момента создания первых фотоэлектрических панелей ученые постоянно работали над повышением их производительности. Инвестиции в солнечные батареи ежегодно росли, и результатом этого стало успешное создание новых, более эффективно поглощающих свет материалов и способов обработки поверхностей, адсорбирующих фотоны. В определенный момент стало ясно, что лучшими ячейками станут те, текстура поверхности которых позволит поглощать все длины волн солнечного спектра. Осталось лишь разработать соответствующую технологию. И здесь возникли серьезные сложности.

Сложность изменения текстуры поверхности солнечных ячеек

Пять десятилетий главным материалом фотоэлектрических модулей выступал кремний. Панели из этого полупроводника доминируют на рынке и сейчас, но в основном из-за доступности и сравнительной дешевизны производства кремниевых кристаллов. Однако у ячеек данного типа есть несколько неустранимых недостатков:

  • теоретическим пределом КПД Mono-Si модулей является показатель в 32%;
  • идеально отполированная поверхность кремния отражает почти половину падающего светового потока;
  • механическое изменение текстуры этого химического элемента с целью уменьшения отражательной способности, приводит к падению КПД преобразования, и общая эффективность растет незначительно;
  • попытка воздействия методом химического травления не позволяет получить сложные поверхностные структуры пирамидальной формы, с разными углами отражения для света определенной длины волны.

Очевидно, что ярко выраженная селективность поглощения фотонов, в зависимости от их спектральных характеристик, требует применения других материалов и принципиально иных технологий. После их массового внедрения производительность фотоэлектрических панелей вырастет настолько, что необходимость в таких формах государственного субсидирования, как льготный налог на солнечные батареи в Европе или искусственно завышенный зеленый тариф в Украине просто не понадобятся.

Селективное поглощение света – что это такое

Первые попытки «разделить» пучок электромагнитного излучения на составляющие заключались в создании на поверхности ячеек микро-отражателей определенного размера и формы – разных для каждой длины волны. Проблема таких текстур состояла в низкой оптической эффективности. Из-за микроскопических размеров в диапазоне 40-200 нанометров идеальному формированию на кремниевой поверхности они не поддавались.

Решение нашлось в применении нанокристаллов из других материалов – золота, олова, индия и прочих. Их оптические характеристики, за счет иной морфологии, оказались значительно лучше, а нанесение на поверхность ячеек осуществлялось двумя способами:

  • электрохимическим напылением в потоке плазмы с последующей лазерной гравировкой;
  • созданием суспензии из наночастиц с циркуляцией над PV-элементами.

Благодаря этому световой поток селективно разделялся на «спектральные порции», а отражение становилось настолько низким, что поверхность казалась абсолютно черной.

Кроме того, проведение опытов на прототипах показало, что сочетание микроскопических золотых «столбиков» и «пирамидок» из оксидов индия и олова позволяет поглощать до 80% энергии из так называемой «запрещенной зоны» для любого материала-полупроводника, что численно соответствует росту КПД на 130% в сравнении с необработанной поверхностью.

Создание идеального абсорбера

Одной из последних работ в данном направлении стали ячейки с селективным разделением пучка фотонов от группы специалистов Рочестерского университета (США) под руководством американца китайского происхождения Чунь-Лэй Го. Для создания нано-структур экспериментаторами были использованы лазеры с ультракороткой частотой вспышек 2-8 фемто-секунд.

Результаты оказались следующими:

  1. Во-первых, поверхность, обработанная таким образом, отражала всего 0,0003% падающего света, то есть представляла собой почти идеальный абсорбер.
  2. Во-вторых, важным преимуществом гравированных ячеек стала способность эффективно улавливать и волны инфракрасной, тепловой части спектра. Потенциально это сделало возможным создание симбиоза фотоэлектрической и термоэлектрической систем, батареи которых смогут вырабатывать электричество как классические панели и тепловой электрогенератор одновременно.
  3. В-третьих, после долгих поисков и проб из всех возможных материалов для создания нано-структур был выбран вольфрам – металл достаточно дешевый и одновременно обладающий рядом дополнительных полезных физико-технических свойств.

Примечательно, что финансирование исследования осуществлялось такими разными организациями, как Американский научный фонд, исследовательский сектор армии США и крупнейший в мире благотворительный фонд супругов Гейтс – Мелинды и Билла.

Полезные побочные эффекты технологии

Еще одним интересным фактом является специализация физика по образованию, профессора Чунь-Лэй Го. Последние годы он и его группа работала в сфере использования нанотехнологий для обработки металлов, а не фотовольтаики. Идея применения фемтосекундных лазеров привела к созданию металлов с такими удивительными свойствами, как отталкивание или притягивание воды. В первом случае гидрофобные свойства металлических изделий не позволяли им тонуть, независимо от времени нахождения на воде или степени повреждений поверхности – незаменимая находка, например, для кораблестроения и авиапромышленности.

Еще одним полезным «побочным» эффектом технологии оказалась возможность придавать металлу абсолютно любой цвет – за счет отражения от поверхности только электромагнитных волн строго определенной длины. Таким путем с одинаковой легкостью можно выгравировать абсолютно черную поверхность солнечной панели или цветную фотографию на обручальном кольце сколь угодно малого размера с невероятной детализацией – вплоть до цвета глаз невесты и оттенка галстука жениха.

Поглощение света редкоземельными тонкопленочными батареями

На мировом рынке и в Украине панели уровня рочестерских прототипов пока не появились, но стандартные кремниевые модули стали все чаще заменяться тонкопленочными гибридами. Особенно выгодны в климатических условиях средней полосы батареи американского гранда First Solar на базе редкоземельного теллурида кадмия (CdTe).

Среднегодовая производительность таких ячеек на 20% выше, чем у Mono-Si и Poli-Si, прежде всего за счет более широкой зоны поглощения спектра фотонов и эффективного антиотражающего слоя.

Ознакомиться с ассортиментом, заказать монтаж солнечных электростанций «под ключ» и получить ответы на любые технические и финансовые вопросы Вы можете посредством обращения к менеджерам по телефону или на соответствующих разделах официального сайта нашей компании Green Tech Trade.

СТРОИТЕЛЬСТВО СОЛНЕЧНЫХ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ "ПОД КЛЮЧ"

ГОТОВЫЕ ИНВЕСТИЦИОННЫЕ ПРОЕКТЫ