Революционные прозрачные солнечные батареи для окон

Революционные прозрачные солнечные батареи для окон

Рост производительности и падение стоимости солнечных батарей привели к их постепенному распространению в частном секторе. Панели стали размещать на дачных участках, небольших фермах и даже встраивать в кровельную черепицу. Но мысль заменить ими окна вплоть до недавнего времени казалась невероятной. Основная причина кажется очевидной – для лучшего поглощения светового излучения поверхность «приемника» должна быть как можно более темной. И все же ученым удалось найти решение этой, казалось бы, невозможной задачи.

Первый шаг — полупрозрачность

Первоначальные попытки создать хотя бы частично пропускающие свет стеклянные крыши или окна привели к промежуточному результату – созданию поверхностей из прозрачных материалов с обычными фотоэлектрическими элементами в виде вставок. Первые серийные образцы подобной продукции начали появляться с 2010 года и разделились на две категории. Первая – расположенные рядами внутри сплошных стеклянных «сандвичей» ячейки стандартной величины. Вторая – частично затемненные полимерные листы с кремниевыми вкраплениями микроскопических размеров.

Из-за более высокой производительности распространение получил преимущественно первый вариант – популярные по сей день двойные стеклопакеты типа  BIPV. Прочные полимерные батареи со встроенными фотоэлектрическими ячейками широко используются в качестве автономного источника экологически чистой энергии при создании полупрозрачного остекления:

  • кровель над бассейнами, мансардами, атриумами и прочими зонами отдыха;
  • крыш теплиц, животноводческих ферм, зимних садов;
  • престижных пентхауcов, торговых павильонов;
  • встроенных оконных проемов домов в жарких и солнечных регионах и т.д.

По светопропускной способности полупрозрачные солнечные панели сравнимы с частично прикрытыми жалюзи, а использование только части поверхности для поглощения излучения компенсируется увеличенной площадью.

Особенно важна способность последних поколений BIPV к извлечению энергии из инфракрасной и ультрафиолетовой зоны спектра. Кроме того, частичная прозрачность и размещение отдельных ячеек не вплотную друг к другу уменьшает перегрев батарей и позволяет экономить на установке систем дополнительного охлаждения.

Последним преимуществом BIPV в сравнении с большинством классических солнечных батарей следует назвать отсутствие алюминиевой основы и ограничительных рам. Подобное конструктивное решение впервые позволило устранить проблемы с температурными перепадами между стеклом и алюминиевой подложкой, а также увеличить срок службы стеклопакетов.

Примечание: стеклянно-поливиниловые «сандвичи» обладают динамической прочностью не менее 5,4 кПа/м2. Такая несущая способность позволяет без ущерба для панелей ходить по ним взрослому мужчине.

Второй шаг – прозрачность на редкоземельных элементах

Вторым, и уже полноценным шагом к прозрачности стало создание специалистами китайского университета «Чангунь» в 2012 году модулей, где кремниевые ячейки располагались только по периметру рамки. Внутренняя часть выполнялась из полимерного стекла с микроскопическими вкраплениями редкоземельного металла – иттербия, практически не изменяющего видимый уровень поступающего через фотоэлектрические пластинки излучения.

Использование наночастиц этого химического элемента было обусловлено его тремя уникальными оптико-физическими свойствами:

  • при попадании в атом иттербия энергетического длинноволнового «голубого» фотона, поглощенная энергия испускается из него в виде двух коротковолновых «инфракрасных» фотонов под изменившимся углом;
  • вектор движения новых частиц света всегда направлен в сторону рамки, где кремний или иной полупроводниковый материал поглощает излучение;
  • поскольку при поглощении «голубого» фотона атом переходит в низкоэнергетическое состояние, пара «инфракрасных» фотонов несет на 60% больше энергии, чем первичная волна.

В результате производительность генерирующих ячеек увеличивается в 1,6 раза, но их малая площадь и незначительное количество иттербия, вкрапленного в прозрачное стекло, на данном этапе позволяет получить КПД относительно полной инсоляции не более 3-3,5%, с перспективой увеличения до 12% к 2022-2023 году.

Подобная эффективность кажется незначительной, но солнечные батареи данного типа имеют огромное количество преимуществ:

  • объем иттербия в панелях не превышает 8%, а малые размеры наночастиц делает их невидимыми глазу;
  • этот редкоземельный элемент недорог – его цена на мировом рынке составляет около $350 за килограмм, что на 15% дешевле индия и на 300% — германия;
  • технологически процесс изготовления батарей не занимает много времени;
  • модули-пластинки плоские, легкие и действительно прозрачные, что позволяет создавать из них остекление практически любых объектов без визуальных потерь количества падающего света.

Третий шаг – «мнимая» механическая прозрачность

Оригинальное решение было найдено южнокорейскими инженерами, которое заключалось в создании «дырчатых» солнечных батарей.

Конструктивно панели создаются с применением обычных классических полупроводниковых ячеек, но с тысячами просверленных в строго рассчитанном порядке и под разными углами небольших отверстий. Диаметр «дырок» составляет всего 100 микрон, и каждая из них по отдельности человеческим глазом не фиксируется. Однако со стороны модули кажутся прозрачными и лишь слегка затемненными.

Авторы статьи в научно-популярном издании «New Atlas» добавляют, что по состоянию на 2019 год корейские специалисты добились КПД 12,3%, но обещают увеличить эффективность до 19-20% на протяжении ближайших 4-5 лет.

Четвертый шаг – прозрачность на органической люминесцентной основе

Самого впечатляющего прогресса добилась команда технологов под руководством Ричарда Ланта,  доцента знаменитого MIT – Мичиганского технологического института. Коллективу молодых физиков и биохимиков удалось создать технологию превращения в прозрачную фотоэлектрическую панель абсолютно любой поверхности из натурального или полимерного стекла. Американцы назвали свой стартап «Ubiquitous Energy» и сейчас активно продвигают его на мировой рынок.

Конструктивно «Вездесущая энергия» — это первая действительно полностью «прозрачная» технология. Основой ее является процесс, отдаленно схожий с широко известным в природе фотосинтезом, но с некоторыми отличиями. Если растения преобразуют в энергию видимый свет, то клетки сложных органических солей профессора Ланта поглощают излучение только невидимой части спектра. Более того – меняя состав органики, можно заставить ее генерировать электрический ток из фотонов любой величины энергии и длины волны. Такой состав получил аббревиатуру TLSC и название «люминесцентного гелио концентратора», запатентованного в Бюро патентов под аббревиатурой DOI: 10.1002 / adom.201400103.

Лучшие известные на сегодняшний день частично прозрачные концентраторы обладают КПД 4-5%. Фотовольтаика команды Ричарда генерирует свет с эффективностью 7,3%, а органические и очень дешевые соли могут быть интегрированы во все известные типы прозрачных панелей – экраны мобильных телефонов, электронные книжки, мониторы ноутбуков, домашние окна, стеклянные крыши и т.д. Это по-прежнему примерно в 3 раза меньше, чем КПД классических солнечных панелей, но сфера применения и преимущества таких «прозрачных батарей будущего» почти безграничны.

Органические солнечные панели:

  • дешевые;
  • изготавливаются быстро и на простом оборудовании;
  • интегрируются буквально в любой лист стекла либо пластика;
  • не содержат экологически вредных веществ и не требуют дорогостоящей и сложной утилизации.

Перспективы и планы развития

Перспективные планы ученых, которые занимаются разработкой органических и прочих прозрачных солнечных батарей, преследуют следующие цели.

  1. Довести эффективность своей продукции до 12-15% в самое ближайшее время.
  2. Внедрить «стеклянную фотовольтаику» во все сферы промышленной и частной жизни.
  3. Сделать солнечную энергию максимально дешевой, доступной и безопасной.

Революционные прозрачные солнечные панели для окон существуют уже сегодня и действительно представляют собой источник Ubiquitous Energy – вездесущей энергии. Важным моментом является и их способность работать ночью, поскольку первоисточником поглощения является не видимое, а тепловое излучение, которое усиливается использованием материалов с длительным люминесцентным эффектом.

Тонкопленочные панели First Solar — идеальное решение нынешнего дня

Пока прозрачные гелио батареи проходят стадии становления и поиска новых удачных способов увеличить КПД, рынок быстро захватывают тонкопленочные панели на основе редкоземельных элементов. Наиболее выгодными являются модули, где полупроводником выступает теллурид кадмия CdTe – значительно более дешевый, чем сульфид меди/индия/галлия CIGS, и на 20% более эффективный, чем кремний Mono-Si и Poli-Si в климатических условиях средней полосы.

В Украине официальным представителем мирового лидера в производстве тонкопленочных гибридов CdTe, концерна First Solar, является украинская компания Green Tech Trade. Ответы на все вопросы Вы найдете на соответствующих тематических страницах сайта либо связавшись по телефонам «горячей линии» с нашими менеджерами.

СТРОИТЕЛЬСТВО СОЛНЕЧНЫХ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ "ПОД КЛЮЧ"

ГОТОВЫЕ ИНВЕСТИЦИОННЫЕ ПРОЕКТЫ