Вуглецеві нанотрубки в сонячних батареях: до 80% ефективності

Вуглецеві нанотрубки в сонячних батареях фото
Вуглецеві нанотрубки в сонячних батареях: до 80% ефективності

Сонячна енергетикаодна з найбільш перспективних галузей світової економіки. Інвестування в неї пов’язано з трьома важливими факторами – невичерпністю джерела, його екологічною чистотою і можливістю отримання надзвичайно дешевої енергії. Саме останній з пунктів змушує вчених шукати матеріали, здатні підвищити ефективність нині існуючих СЕС. Одними з таких є вуглецеві нанотрубки, які відіграють для сонячної батареї роль постачальника додаткової потужності.

Коротка історія створення вуглецевих нанотрубок

Вуглець – один з найдешевших і найрозповсюдженіших хімічних елементів на Землі, причому властивості матеріалів з нього кардинально змінюються в залежності від розташування атомів в кристалічній решітці. При хаотичному їх розташуванні утворюється м’який графіт, рівномірному – твердий алмаз, а штучно «згорнутому» в крихітні порожнисті циліндри – вуглецеві нанотрубки (CNT).

Спроби використання їх для створення фотоелектричних батарей (ціна яких в перспективі могла зменшитися кратно) почалися трохи більше 10 років тому.

  • 2007 рік – фізики з University of Notre Dame з’єднали CNT з плівками з діоксиду титану, отримавши матеріал з ККД 0,2%;
  • 2011 рік – вченими Массачусетського технологічного інституту отримано матеріал фульвален-тетракарбонілдірутеній (fulvalene diruthenium) – хімічна сполука на основі нанотрубок, що дозволяє в 10 000 разів збільшити питомий обсяг зберігання енергії;
  • 2012 рік – створено фотоелементи, що поєднують вуглецеві трубки та фулерени – це допомогло включити в спектр поглинання панелями інфрачервоне випромінювання;
  • 2014 рік – команда фахівців Інженерної школи МакКорміка методом комбінування різної товщини та ступеня закрученности нанотрубок отримала вуглецеві сонячні батареї з продуктивністю 3% (вперше в історії отримали сертифікат «Національної лабораторії відновлюваної енергії»);
  • 2019 рік – групою інженерів Університету Райса здійснений технологічний прорив: з нанотрубок були отримані елементи з ККД 11-18% (в залежності від яскравості освітлення 200 і 1000 люкс відповідно), при з’єднанні перовскітних напівпровідників надтонких плівок.

Вуглецеві сонячні батареї: властивості та застосування

Проблема всіх сучасних геліопанелей – здатність перетворювати в електричний струм тільки обмежений діапазон видимого світлового випромінювання – близько 6%. Теплові фотони інфрачервоної частини спектра – близько 40% – напівпровідниками не уловлюються.

Додатковий вуглецевий шар як завгодно малої товщини може заповнити цю втрату, але перетворити поглинену енергію в електрику він не здатний. Таким чином, завдання інженерів зводиться до ефективного об’єднання в одному пристрої двох типів матеріалів:

  • перший – поглинає інфрачервоні промені та перетворює широкосмугові фотони в вузькосмугові;
  • другий – генерує електрику з тепла, сприйманого наноплівкою CNT.

Вуглецеві сонячні батареї даного типу вже існують, і купити їх можна за ціною від $ 0,2 за 1 Вт. Низька вартість поки нівелюється невеликим ККД, але інноваційний матеріал таких панелей неймовірно перспективний з наступних причин:

  1. Плівці, з розташованих певним способом вуглецевих трубок, притаманний ефект гіперболічної дисперсії. Це означає, що поглинання нею теплових фотонів відбувається однаково ефективно, незалежно від напрямку і кута їх падіння.
  2. Вуглецевій поверхні можна надати властивості майже абсолютно чорного тіла, завдяки чому рівень поглинання випромінювання досягає 99,99%.
  3. Вуглець нечутливий до перегріву, і не втрачає своїх експлуатаційних характеристик при температурах до 700°. У класичних кремнієвих панелей знижується продуктивність приблизно на 0,5% з кожним градусом нагріву, починаючи з 25 °С.
  4. Теоретична межа ефективності батарей на базі кремнію – 32%. Інноваційних тонкоплівкових моделей на базі рідкоземельних елементів – понад 55%. Вуглецеві нанотрубки для сонячної батареї здатні підняти планку до 80%.

Ще один важливий фактор – вага. Кращі сучасні класичні модулі видають 20 Вт потужності на 1 кг маси. Перспективні – до 80 Вт. Для розміщення на землі та покрівлях це прийнятно, але вбудувати подібний модуль в тонке віконне скло не вийде. CNT може зняти це обмеження, оскільки питома вага нанотрубок становитиме менше 0,01% загальної маси виробу.

Скільки коштують вуглецеві нанотрубки для батарей?

Дати відповідь на таке питання складно, оскільки трубчасте покриття є не основним, а допоміжним в моделях різних виробників, що використовують компоновку вуглецю з іншими матеріалами. На даний момент найбільш популярними на ринку є перовскітні панелі, що містять комбінацію «титан/цирконій/CNT».

Головні переваги цих виробівкомпактність, універсальність і простота у виробництві, пов’язана з можливостями сучасних технологій 3D-друку. Вуглецеві сонячні батареї на базі перовскита виготовляються за таким же принципом, як і друковані плати комп’ютерної техніки, але без використання вакуумних камер, що сильно здешевлює процес:

  • на скляну підкладку здійснюється почергове напилення шарів титану, цирконію і CNT;
  • виріб накривається другою захисною пластинкою зі скла;
  • готова плата герметизується по торцях.

Найбільш мініатюрні вуглецеві сонячні батареї такого типу можна купити всього за кілька доларів і використовувати для генерації енергії навіть при малій інтенсивності освітлення і будь-яких кутах падіння світла. Інтегрування плівок у вікна дозволяє отримувати достатньо енергії для забезпечення зарядки дрібних домашніх пристроїв – датчиків, смартфонів, планшетів – при звичайному денному освітленні в кімнаті (середня інтенсивність – 150-250 лк) з ККД 10-12%. На вулиці, в хмарний день, ефективність зростає до 17-19% (900-1100 лк), літнім сонячним днем – до 22% (3000 – 4000 лк).

Майбутнє і сонячний потенціал вуглецевих сонячних батарей

Незалежно від того, скільки коштують вуглецеві нанотрубки для батарей сьогодні, в найближчому майбутньому їх ціна буде швидко зменшуватися, а ефективність – рости. Найважливішою перевагою цього матеріалу є його сонячний потенціал – працювати з ККД близько 80% інші претенденти не в змозі через обмеження законів фізики.

А поки цього не сталося, основними кандидатами на лідерство залишаються тонкі гібридні панелі на базі рідкоземельних елементів – перш за все, недорого телуриду кадмію (CdTe). Їх перевага перед традиційними кремнієвими модулями – менша маса і збільшена на 20% ефективність. В Україні найкращі тонкоплівкові батареї даного класу, від американського гранда First Solar, пропонує вітчизняна компанія Green Tech Trade. Розрахувати необхідну для СЕС потужність і підібрати відповідні компоненти станції можна на офіційному сайті.