Углеродные нанотрубки в солнечных батареях: до 80% эффективности

Углеродные нанотрубки в солнченых батареях фото
Углеродные нанотрубки в солнечных батареях: до 80% эффективности

Солнечная энергетикаодна из наиболее перспективных отраслей мировой экономики. Инвестирование в нее связано с тремя важными факторами – неисчерпаемостью источника, его экологической чистотой и возможностью получения чрезвычайно дешевой энергии. Именно последнее соображение заставляет ученых искать материалы, способные повысить эффективность ныне существующих СЭС. Одним из таковых являются углеродные нанотрубки, играющие для солнечной батареи роль дополнительного поставщика мощности.

Краткая история создания углеродных нанотрубок

Углерод – один из самых дешевых и распространенных на земле химических элементов, причем свойства созданных из него материалов кардинально меняются в зависимости от расположения атомов в кристаллической решетке. При хаотичном их размещении образуется мягкий графит, равномерном – твердый алмаз, а искусственно «свернутом» в крошечные полые цилиндры – углеродные нанотрубки (CNT).

Попытки использования их для создания фотоэлектрических батарей (цена которых в перспективе могла кратно уменьшиться) начались чуть более 10 лет назад.

  • 2007 год – физики из University of Notre Dame соединили CNT с пленками из диоксида титана, получив материал с КПД 0,2%;
  • 2011 год – учеными Массачусетского технологического института получен материал фульвален-тетракарбонилдирутений (fulvalene diruthenium) – химическое соединение на основе нанотрубок, позволяющее в 10 000 раз увеличить удельный объем хранения энергии;
  • 2012 год – созданы фотоэлементы, сочетающие углеродные трубки и фуллерены – это помогло включить в спектр поглощения панелями инфракрасное излучение;
  • 2014 год – командой специалистов Инженерной школы МакКормика методом комбинирования разной толщины и степени закрученности нанотрубок получены углеродные солнечные батареи с производительностью 3% (впервые в истории, получившие сертификат «Национальной лаборатории возобновляемой энергии»);
  • 2019 год – группой инженеров Университета Райса совершен технологический прорыв: при соединении с перовскитными полупроводниками сверхтонких пленок из нанотрубок получены элементы с КПД 11-18% (в зависимости от яркости освещения 200 и 1000 люкс соответственно).

Углеродные солнечные батареи: свойства и применение

Проблема всех современных гелиопанелей – способность преобразовывать в электрический ток только ограниченный диапазон видимого светового излучения – порядка 6%. Тепловые фотоны инфракрасной части спектра – около 40% – полупроводниками не улавливаются.

Дополнительный углеродный слой сколь угодно малой толщины может восполнить эту потерю, но преобразовать поглощенную энергию в электричество он не способен. Таким образом, задача инженеров сводится к максимально эффективному объединению в одном устройстве двух типов материалов:

  • первого – поглощающего инфракрасные лучи и преобразующего широкополосные фотоны в узкополосные;
  • второго – генерирующего электричество из тепла, улавливаемого нанопленками CNT.

Углеродные солнечные батареи данного типа уже существуют, и купить их можно по цене от $0,2 за 1Вт. Низкая стоимость пока нивелируется небольшим КПД, но содержащийся с них инновационный материал невероятно перспективен по следующим причинам:

  1. Пленке из углеродных трубок, расположенных определенным способом, присущ эффект гиперболической дисперсии. Это означает, что поглощение ею тепловых фотонов происходит одинаково эффективно, независимо от направления и угла их падения.
  2. Углеродной поверхности можно придать свойства почти абсолютно черного тела, благодаря чему уровень поглощения излучения достигает 99,99%.
  3. Углерод нечувствителен к перегреву, и не теряет своих эксплуатационных характеристик при температурах до 700°. Классические кремниевые панели снижают производительность примерно на 0,5% с каждым градусом нагрева, начиная с 25°С.
  4. Теоретический предел эффективности батарей на базе кремния – 32%. Инновационных тонкопленочных моделей на базе редкоземельных элементов – свыше 55%. Углеродные нанотрубки для солнечной батареи способны поднять планку до 80%.

Еще один важный фактор – вес. Лучшие современные классические модули выдают 20 Вт мощности на 1 кг массы. Перспективные – до 80 Вт. Для размещения на земле и кровлях это приемлемо, но встроить подобный модуль в тонкое оконное стекло не получится. CNT может снять это ограничение, поскольку удельный вес нанотрубок будет составлять менее 0,01% общей массы изделия.

Сколько стоят углеродные нанотрубки для батарей?

Дать ответ на такой вопрос сложно, поскольку трубчатое покрытие являются не основным, а вспомогательным в моделях разных производителей, использующих компоновку углерода с другими материалами. В настоящий момент наиболее популярными на рынке являются перовскитные панели, содержащие комбинацию «титан/цирконий/ CNT».

Главные преимущества этих изделийкомпактность, универсальность и простота в производстве, связанная с возможностями современных технологий 3D-печати. Углеродные солнечные батареи на базе перовскита изготавливаются по такому же принципу, как и печатные платы компьютерной техники, но без использования вакуумных камер, что сильно удешевляет процесс:

  • на стеклянную подложку осуществляется поочередное напыление пленок титана, циркония и CNT;
  • изделие накрывается второй защитной пластинкой из стекла;
  • готовая плата герметизируется по торцам.

Наиболее миниатюрные углеродные солнечные батареи такого типа можно купить всего за несколько долларов и использовать для выработки энергии даже при малой освещенности и любых углах падения света. Интегрирование пленок в окна позволяет получать достаточно энергии для обеспечения зарядки мелких домашних устройств – датчиков, смартфонов, планшетов – при обычном дневном освещении в комнате (средняя интенсивность – 150-250 лк), обеспечивая КПД 10-12%. На улице, в облачный день, эффективность возрастает до 17-19% (900-1100 лк), летним солнечным днем – до 22% (3000 – 4000 лк).

Будущее и солнечный потенциал углеродных солнечных батарей

Независимо от того, сколько стоят углеродные нанотрубки для батарей сегодня, в ближайшем будущем их цена будет быстро уменьшаться, а эффективность – расти. Наиболее важным достоинством этого материала служит его солнечный потенциал – выдавать, даже теоретически, коэффициент полезного действия около 80%, другие претенденты не в состоянии из-за ограничений, накладываемых законами физики.

А пока этого не произошло, основными кандидатами на лидерство остаются тонкие гибридные панели на базе редкоземельных элементов – прежде всего, недорого теллурида кадмия (CdTe). Их преимущество перед традиционными кремниевыми модулями – меньшая масса и увеличенная на 20% эффективность. В Украине лучшие тонкопленочные батареи данного класса, от американского гранда First Solar, предлагает отечественная компания Green Tech Trade. Рассчитать необходимую для СЭС мощность и подобрать соответствующие компоненты станции можно на официальном сайте.