В будущем солнечные батареи могут стать вдвое эффективнее, если использовать несколько умных маленьких нано-трюков.
Исследователи в настоящее время разрабатывают экологически безопасные солнечные элементы будущего, которые будут улавливать в два раза больше энергии, чем сегодняшние элементы. Хитрость заключается в том, чтобы объединить два разных типа солнечных элементов, чтобы использовать гораздо большую часть солнечного света.
Это будут самые эффективные и безопасные для окружающей среды солнечные элементы в мире. В настоящее время существуют солнечные элементы, которые, безусловно, столь же эффективны, но они дороги и токсичны. Кроме того, материалы для наших солнечных элементов легко доступны в больших количествах на Земле. Это важный момент», - говорит профессор Бенгт Свенссон с факультета физики Университета Осло (UiO) и Центра материаловедения и нанотехнологий (SMN)..
Свенссон является одним из ведущих норвежских исследователей в области солнечной энергетики, и в течение многих лет он возглавлял крупные исследовательские проекты в Лаборатории микро- и нанотехнологий (MiNaLab), которая находится в совместном владении UiO и Фонда научных и промышленных исследований. Исследования в Норвежском технологическом институте (Синтеф). Используя нанотехнологии, атомы и молекулы могут быть объединены в новые материалы с особыми свойствами.
Физики сейчас используют самое лучшее из нанотехнологий и будут разрабатывать новые солнечные элементы в рамках европейского исследовательского проекта Solhet (высокоэффективные тандемные гетеропереходные солнечные элементы для конкретных приложений), который является совместным проектом с участием UiO., Институт энергетических технологий (IFE) в Кьеллере, Норвегия, и Политехнический университет Бухареста, а также два других румынских учреждения. В команду Solhet в UiO входят Радж Кумар (постдоктор), Кристин Бергум (исследователь), Эдуард Монахов (профессор) и Свенссон..
Современные солнечные батареи
Их цель состоит в том, чтобы использовать еще больше спектра солнечного света, чем это возможно в настоящее время. Девяносто девять процентов сегодняшних солнечных элементов сделаны из кремния, который является одним из самых распространенных элементов на Земле. К сожалению, кремниевые солнечные элементы используют только 20 процентов солнечного света. Мировой рекорд составляет 25 процентов, но эти солнечные элементы пронизаны редкими материалами, которые к тому же токсичны. Теоретический предел составляет 30 процентов. Объяснение этого ограничения заключается в том, что кремниевые клетки в основном улавливают световые волны красного спектра солнечного света. Это означает, что большая часть световых волн остается неиспользованной.
Новые солнечные элементы будут состоять из двух слоев, улавливающих энергию. Первый слой по-прежнему будет состоять из кремниевых ячеек.
"Красные длины волн солнечного света очень эффективно генерируют электричество в кремниевых элементах. Мы проделали большую работу с кремнием, так что осталось немного больше."
Новый трюк состоит в том, чтобы добавить еще один слой поверх кремниевых ячеек. Этот слой состоит из оксида меди и должен улавливать световые волны синего спектра солнечного света.
Нам удалось создать слой оксида меди, который захватывает три процента энергии солнечного света. Мировой рекорд составляет девять процентов. В настоящее время мы интенсивно работаем над тем, чтобы увеличить этот процент до двадцати процентов. Сочетание кремниевых элементов в одном слое и элементов из оксида меди в другом означает, что мы сможем поглощать гораздо больше света и, таким образом, уменьшать потери энергии. При таком сочетании мы можем использовать от 35 до 40 процентов солнечного света, - подчеркивает Бенгт Свенссон.
В панели солнечных батарей также будут другие слои. На задней поверхности будет нанесен защитный стеклянный слой, а также металлический слой, который отводит электричество от солнечного элемента. Лицевая сторона будет иметь антибликовое покрытие, так что световые лучи будут улавливаться, а не отражаться.
Панель солнечных батарей будет очень тонкой. Толщина отдельных слоев будет варьироваться от ста до тысячи нанометров. Тысяча нанометров равна одному микрометру. Один волос в десять раз толще. Одним из самых сложных шагов является создание специального слоя толщиной от одного до двух нанометров. Аполлон еще скажет об этом, но сначала необходимо несколько теоретических объяснений.
Создать проводящие электроны
Все материалы для солнечных батарей состоят из полупроводниковых материалов. Полупроводники обладают особыми электрическими свойствами. Эти электрические свойства определяются шириной запрещенной зоны.
Ширина запрещенной зоны показывает, сколько энергии потребуется для создания проводящих электронов.
Материалы без ширины запрещенной зоны проводят электричество. Материалы с большой шириной запрещенной зоны не проводят электричество. Полупроводники - это материалы с умеренной шириной запрещенной зоны, что означает, что они лишь частично проводят электричество.
Нанотехнологии используются для разработки материалов с очень специфической шириной запрещенной зоны.
Когда фотоны, т. е. световые частицы от солнца, попадают в солнечный элемент, энергия поступает в солнечный элемент. Эта энергия выталкивает электрон через запрещенную зону в так называемую зону проводимости, где электроны могут быть собраны и удалены в виде энергии.
Электроны оставляют после себя электронные дырки. И электрон, и электронная дырка могут проводить электричество.
Задача состоит в том, чтобы разработать оксид коббера с шириной запрещенной зоны, достаточно большой, чтобы электроны могли быть захвачены до того, как они упадут обратно в свои электронные дырки. Мы работали над этим в течение ряда лет, и мы начинаем понимать, как это можно сделать».
Хотя времени мало, есть луч света: если электроны удалить из электронных дыр более чем на миллисекунду, то их можно захватить.
Хаос между слоями
Одной из нерешенных проблем новых солнечных элементов являются граничные области между различными слоями.
"Когда слои накладываются друг на друга, происходят химические реакции, которые уменьшают или, в худшем случае, разрушают солнечные элементы."
Одной из проблем является граничная поверхность между слоем солнечного элемента, который улавливает энергию синего света, и самым внешним слоем оксида цинка, который одновременно защищает элемент и проводит электричество из элемента. К сожалению, электроны умирают на этой граничной поверхности.
Самой большой проблемой является граничная поверхность между слоем кремния, который улавливает энергию красного света, и слоем оксида меди, который улавливает энергию синего света.
Каждый из двух слоев солнечных элементов хорошо работает сам по себе, и вот тут Аполлон переходит к делу. Проблема возникает, когда слои наносятся вместе. Именно тогда происходят неблагоприятные химические изменения.
"Химические изменения могут изменить ширину запрещенной зоны. Когда ширина запрещенной зоны неправильная или дефектная, электронные дырки снова заполняются до того, как электроны могут быть захвачены."
Одним из вариантов является размещение других веществ между слоями, чтобы минимизировать химические изменения.
Есть много способов создать этот буферный слой.
"Мы хотим использовать материал, богатый водородом. Это может усмирить химические изменения и увеличить время жизни электронов и электронных дырок."
Еще один вариант - добавить в буфер оксид галлия, но это вещество не совсем безопасно для окружающей среды. Чистый галлий токсичен.
Сделав буфер толщиной всего один-два нанометра, химический эффект сводится к минимуму.
"Чем толще промежуточный слой, тем больше электронов будет заторможено. Это разрушает электрическую емкость. Если электроны заблокированы в буферном слое, солнечные элементы больше не работают."
От теории к практике
Теоретическое моделирование того, как должен выглядеть буферный слой, выполнено в Политехническом университете в Бухаресте.
«Они очень хороши в теоретическом моделировании», - говорит Бенгт Свенссон.
Профессор Лаурентиу Фара из Политехнического университета в Бухаресте рассказал Apollon, что, среди прочего, они рассчитали и смоделировали оптимальную толщину слоев солнечных элементов, наилучший возможный способ наложения слоев вместе и то, как теоретически возможно извлечь максимально возможное количество электричества.
«Мы возлагаем большие надежды на то, что солнечные батареи могут стать надежными и прибыльными, но мы прекрасно понимаем, что еще предстоит проделать большую тяжелую работу», - подчеркивает Лаурентиу Фара.
UiO выполняет экспериментальную часть работы. IFE разработает прототип для производства солнечных элементов в больших объемах. Кроме того, IFE является главным координатором всего исследовательского проекта.
Мы уже много лет работаем с технологией солнечных элементов на основе кремния в сотрудничестве с норвежской промышленностью солнечных элементов. Теперь мы рассмотрим, как два слоя солнечных элементов могут быть адаптированы друг к другу, чтобы получить наибольшее количество энергии от всего солнечного элемента и понять, как два элемента влияют друг на друга как оптически, так и электрически», - говорят Шон Эрик Фосс и Орнульф Нордсет из IFE.
Они говорят нам, что очень многие исследователи и технологические фирмы сейчас работают над новым типом солнечных элементов с кремнием в нижнем слое и слоем «более экзотических материалов» сверху.
Румынская компания по производству солнечных батарей Wattrom намерена показать, что производство новых солнечных батарей возможно.
«Эта технология недорогая, ее можно легко масштабировать до больших объемов, и производство солнечных элементов из оксида меди не дороже, чем из кремния», - говорит Бенгт Свенссон.
Он считает, что производство солнечных батарей будет очень прибыльным, поскольку использование светового спектра будет высоким.
"Увеличение эффективности даже на одну десятую процента дает существенную экономическую выгоду для индустрии солнечных батарей, но мы говорим здесь о гораздо более резком повышении эффективности."
Более того, солнечные батареи будут хорошо работать даже в тех частях земного шара, где солнце находится низко над горизонтом, например, в Скандинавии.
Он говорит, что эффективные солнечные батареи могут полностью изменить представление об энергии в будущем.
У нас есть огромный ресурс солнца. Если бы мы могли использовать солнечный свет на сто процентов, час солнечного света в год покрыл бы все энергетические потребности на Земле. Таким образом, потенциал огромен. В принципе, можно удовлетворить потребности всего мира в энергии с помощью солнечного света. Солнечная энергия на самом деле является возобновляемым источником энергии, который имеет самый большой потенциал из всех. Это то, что мы хотим использовать», - говорит Бенгт Свенссон.