5 neparasti nākotnes saules paneļi

Šodien silīcija saules paneļi - tālu no fināla ceļā uz saules gaismas enerģijas iegrožošanu un tās pārvēršanu noderīgā elektroenerģijā. Daudzus darbus joprojām veic zinātnieki, un šajā rakstā mēs apskatīsim piecus neparastus risinājumus, kurus izstrādā daži mūsdienu pētnieki.

Tiek uzcelta Amerikas Nacionālā atjaunojamās enerģijas laboratorija (NREL) saules baterija, kuras pamatā ir pusvadītāju kristāli, kuru izmēri nepārsniedz vairākus nanometrus, tie ir tā saucamie kvantu punkti. Izlase jau ir čempione ārējās un iekšējās kvantu efektivitātes ziņā, kas attiecīgi bija 114% un 130%.

Šie raksturlielumi parāda ģenerēto elektronu-caurumu pāru skaita attiecību pret fotonu skaitu, kas nonāk uz parauga (ārējā kvantu efektivitāte), un ģenerēto elektronu skaita attiecību pret absorbēto fotonu skaitu (iekšējā kvantu efektivitāte) noteiktā frekvencē.

Ārējā kvantu efektivitāte ir mazāka nekā iekšējā, jo ne visi absorbētie fotoni piedalās ģenerēšanā, un daži no fotoniem, kas atrodas uz paneļa, tiek vienkārši atspoguļoti.

Paraugs sastāv no šādām daļām: stikla pret atstarojuma pārklājumu, caurspīdīga vadītāja slāņa, pēc tam nanostrukturētiem cinka oksīda slāņiem un svina selenīda kvantu punktiem, pēc tam etanditiola un hidrazīna, kā arī kā plāns zelta kārta augšējais elektrods.

Šādas šūnas kopējā efektivitāte ir aptuveni 4,5%, bet ar to pietiek, lai eksperimentāli iegūtu diezgan augstu kvantu efektivitāti šai materiālu kombinācijai, un tas nozīmē optimizāciju un uzlabošanu uz priekšu.

Nevienai saules baterijai ārējā kvantu efektivitāte ir parādījusies virs 100%, savukārt šīs NREL attīstības unikalitāte slēpjas faktā, ka katrs fotons, kas nokrīt uz akumulatora, izejā rada vairāk nekā vienu elektronu-caurumu pāri.

Panākumu iemesls bija daudzkārtējā eksitonu (MEG) ģenerēšana - efekts, kas vispirms tika izmantots, lai izveidotu pilnvērtīgu saules bateriju, kas spēj ģenerēt elektrību. Efekta intensitāte ir saistīta ar materiāla parametriem, ar joslas spraugu pusvadītājā, kā arī ar krītošā fotona enerģiju.

Kristāla izmēram ir izšķiroša nozīme, jo tikai nelielā tilpumā kvantu punkti ierobežo lādiņu nesējus un var savākt lieko enerģiju, pretējā gadījumā šī enerģija vienkārši pazūd siltuma veidā.

Laboratorija uzskata, ka elementi, kuru pamatā ir MEG efekts, ir ļoti cienīgi kandidāti uz jaunās paaudzes saules paneļu titulu.

Vēl vienu neparastu pieeju saules bateriju radīšanai ieteica Pranšens Kamati no Notre Dame universitātes. Viņa grupa izstrādāja krāsu, kuras pamatā bija titāna dioksīda kvantu punkti, kas pārklāti ar kadmija sulfīdu un kadmija selenīdu ūdens-spirta maisījuma formā.

Pasta tika uzklāta uz stikla plāksnes ar vadošu slāni, pēc tam atlaida, un rezultāts bija fotoelementu akumulators. Substrātam, kas pārveidots par fotoelementu paneli, ir nepieciešams tikai elektrods, un elektrisko strāvu ir iespējams iegūt, ievietojot to saulē.

Zinātnieki uzskata, ka nākotnē būs iespējams radīt automašīnu un māju krāsu un tādējādi, teiksim, mājas jumtu vai automašīnas virsbūvi, kas krāsota ar šo īpašo krāsu, pārvērst saules baterijās. Tas ir pētnieku galvenais mērķis.

Lai arī efektivitāte nav augsta, tikai 1%, kas ir 15 reizes mazāk nekā parastajiem silīcija paneļiem, saules krāsu var ražot lielos apjomos un ļoti lēti.Tādā veidā nākotnē var tikt apmierināta vajadzība pēc enerģijas, saka grupas Kamat ķīmiķi, kuri sauc viņu smadzenes "Sun-Believable", kas tulkojumā nozīmē “saules iespējamība”.

Nākamais neparasts saules enerģijas pārveidošanas metode piedāvājums Masačūsetsas Tehnoloģiju institūtā. Andreas Mershin un kolēģi izveidoja eksperimentālas baterijas, kuru pamatā ir bioloģisko molekulu komplekss, kas spēj "savākt" gaismu.

PS-1 fotosistēmu, kas aizgūta no cianobakterija Thermosynechococcus elongatus, ierosināja molekulārais biologs Šuans Žans un vairāki viņa līdzīgi domājošie cilvēki 8 gadus pirms pašreizējo eksperimentu sākuma Andreass Mershins.

Sistēmu efektivitāte izrādījās tikai aptuveni 0,1%, taču tas jau ir nozīmīgs solis ceļā uz masveida ieviešanu ikdienas dzīvē, jo šādu ierīču radīšanas izmaksas ir ārkārtīgi zemas, un kopumā bioloģiskie īpašnieki var izveidot savas baterijas, izmantojot ķīmisku vielu komplektu un svaigi nopļautas zāles kaudzi. . Tikmēr vairāki uzlabojumi palielinās efektivitāti līdz 1-2%, t.i. līdz komerciāli izdevīgam līmenim.

Iepriekšējās līdzīgās šūnas ar fotosistēmām varēja saprātīgi darboties tikai lāzera gaismā, kas stingri koncentrēta šūnā, un tikai tad šaurā viļņu garuma diapazonā. Turklāt bija vajadzīgas dārgas ķīmiskas vielas un laboratorijas apstākļi.

Vēl viena problēma bija tā, ka no augiem iegūtie molekulārie kompleksi ilgi nevarēja pastāvēt. Tagad institūta komanda ir izstrādājusi virsmas aktīvo peptīdu komplektu, kas apņem sistēmu un ilgstoši to saglabā.

Palielinot gaismas savākšanas efektivitāti, Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta komanda atrisināja problēmu aizsargāt fotosistēmas no ultravioletā starojuma, kas iepriekš sabojāja fotosistēmu.

Tagad PS-1 tika iesēts nevis uz gluda substrāta, bet uz virsmas ar ļoti lielu efektīvo laukumu, tās bija 3,8 μm biezas titāna dioksīda caurules ar porām 60 nm un blīvas cinka oksīda stieņi, kas bija vairāku mikronu augsti un vairākus simtus nanometru diametrā. .

Šie fotoanodes varianti ļāva palielināt hlorofila molekulu skaitu apgaismojumā un aizsargāja PS-1 kompleksus no ultravioletajiem stariem, jo ​​abi materiāli tos labi absorbē. Turklāt titāna caurules un cinka stieņi arī spēlē rāmja lomu un darbojas kā elektronu nesēji, bet PS-1 savāc gaismu, asimilē to un atdala lādiņus, kā tas notiek dzīvās šūnās.

Šūna, kas bija pakļauta saules iedarbībai, piešķīra 0,5 voltu spriegumu ar īpatnējo jaudu 81 mikroW uz kvadrātcentimetru un fotokameras blīvumu 362 μA uz kvadrātcentimetru, kas ir 10 reizes lielāks nekā jebkura cita bioelektriskā sistēma, kas iepriekš bija zināma, pamatojoties uz dabiskām fotosistēmām.

Tagad parunāsim par organisko polimēru bāzes saules baterijas. Ja viņi izveido masveida ražošanu, tad tie būs daudz lētāki nekā silīcija konkurenti, neskatoties uz to, ka viņi jau ir sasnieguši 10,9% efektivitāti. Tandēma polimēru saules baterija, kuru izveidojusi zinātnieku komanda no Kalifornijas Universitātes Losandželosā (UCLA), ir vairāki slāņi, no kuriem katrs darbojas ar savu spektra daļu.

Svarīgākais punkts ir veiksmīga dažādu vielu kombinācija, kas netraucē viena otrai, strādājot kopā. Šī iemesla dēļ autori īpaši izstrādāja konjugētus polimērus ar mazu joslu atstarpi.

2011. gadā zinātniekiem izdevās iegūt šādu viena slāņa polimēra elementu ar efektivitāti 6%, bet tandēma šūna parādīja efektivitāti 8,62%. Strādājot tālāk, pētnieki plānoja paplašināt darba spektra diapazonu infrasarkanajā reģionā, un viņiem bija jāpievieno Japānas uzņēmuma Sumitomo Chemical polimērs, pateicoties kuriem viņiem izdevās sasniegt 10,9% efektivitāti.

Šis veiksmīgākais dizains sastāv no priekšējās šūnas, kas izgatavota no materiāla ar lielu joslu atstarpi, un aizmugures šūnas, ar šauru joslu atstarpi.Izstrādes autori apgalvo, ka šāda pārveidotāja izveidošana, ieskaitot materiālu izmaksas, nav ļoti dārga, turklāt pati tehnoloģija ir savietojama ar mūsdienās ražotajiem plānslāņu saules paneļiem.

Šķiet, ka tuvāko gadu laikā saules baterijas, kuru pamatā ir organiskie polimēri, kļūs komerciāli dzīvotspējīgas, jo izstrādātāji plāno palielināt to efektivitāti līdz 15%, tas ir, līdz silīcija līmenim.

Pārskata noapaļošana super plāni saules paneļi ar biezumu 1,9 mikronikas ir 10 reizes plānāks nekā jebkuras citas plānas plēves baterijas, kas izveidotas iepriekš. Kopā Japānas un Austrijas zinātnieki izveidoja plānu organiski neparasti elastīgu saules paneli. Demonstrācijas laikā produkts tika iesaiņots ap cilvēka matiem ar diametru 70 μm.

Akumulatora izgatavošanai tika izmantoti tradicionālie materiāli, bet substrāts tika izgatavots no 1,4 mikronu bieza polietilēntereftalāta. Ar 4,2% efektivitāti jaunā saules akumulatora īpatnējā jauda bija 10 vati uz gramu, kas parasti ir 1000 reizes lielāks nekā atbilstošais daudzkristālu silīcija akumulatoru indikators.

Šajā sakarā šķiet daudzsološi attīstīt tādas jomas kā “viedais tekstils” un “vieda āda”, kur papildus saules paneļiem elektroniskās mikroshēmas, kas izveidotas, izmantojot līdzīgu tehnoloģiju, var būt tikpat plānas un elastīgas.

Skatīt arī:5 neparasti vēja ģeneratoru dizaini