Окна батареи. Прозрачные солнечные батареи. Работа и применение. Прозрачная пленка превращает окна в мощные солнечные батареи

Крыши многих домов в западноевропейских странах, Японии и США буквально усеяны крупными солнечными батареями. Желание обитателей этих зданий идти в ногу с прогрессом не может не радовать. Очевидно, что переход на возобновляемые источники энергии приносит домохозяйствам ощутимую пользу в виде дешевого электричества, но некоторые обыватели считают, что солнечные батареи портят экстерьер зданий – особенно старых. К счастью, уже в самое ближайшее время фотоэлектрические панели смогут стать практически незаметны для сторонних наблюдателей. Группа исследователей работает над прозрачными , которые могут быть вмонтированы в окна зданий.

Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе работают над фотоэлектрическими ячейками, которые поглощают инфракрасное излучение. Это излучение нельзя увидеть невооруженным глазом, но оно вполне пригодно для генерации электроэнергии путем выбивания электронов в фотоэлектрической ячейке за счет фотонов входящего света.

Американские исследователи объявили, что им удалось создать прозрачную солнечную батарею, которая преобразует 7.3 процента поступающей не ее поверхность солнечной энергии в электричество. Это намного ниже КПД в 15-20 процентов, которое характерно доступным в продаже непрозрачным солнечным панелям, но данный показатель также почти в два раза выше, чем у прозрачных фотоэлементов, созданных учеными из Калифорнийского университета в прошлом году. К слову, совсем недавно ученые из Массачусетского технологического института смогли добиться КПД подобных фотоэлементов на уровне всего лишь 2 процентов, так что калифорнийцы в этом плане – безоговорочные лидеры.

Рост КПД достигается за счет применения аналога технологии производства сэндвич-панелей. Иными словами, исследователи создали разновидность многослойного фотоэлектрического элемента. Всего используется два рабочих слоя: верхний способен поглощать 40 процентов инфракрасного света, который попадает на поверхность солнечной батареи, нижний – еще столько же. То есть, вместе оба слоя поглощают 80 процентов инфракрасного излучения. Причем сама батарея прозрачна практически на 70 процентов.

«С помощью специального материала для повышения взаимодействия между двумя слоями фотоэлемента (на межфазной границе) нам удалось получить примерно в два раза больше энергии, чем наблюдалось первоначально, когда мы использовали однослойную солнечную батарею», отметил руководитель группы исследователей Янг Янг. «Мы ожидаем, что это устройство поможет расширить спектр применения солнечных батарей, в том числе за счет создания , генерирующих электроэнергию с помощью солнечного света «.

Прозрачные солнечные батареи, вроде разработки специалистов из Калифорнийского университета, также могут использоваться для продления срока автономной работы мобильных гаджетов (телефоны, планшеты, ноутбуки). Поместив такую пленку на экран девайса можно уменьшить скорость разрядки аккумулятора. К слову, компания Wysips уже тестирует солнечные батареи для экранов, которые позволяют продлить срок работы телефона от одного заряда аккумулятора на целых 20 процентов.

Окна впускают в дом свет, а вместе с ним и солнечное тепло. Существует множество технологий пассивного регулирования света из окон с целью уменьшения или увеличения количества поступающего тепла. А ведь это тепло, по сути – энергия, которую теоретически можно преобразовать в электричество. Ученые из Министерства энергетики США разработали прозрачную солнечную пленку, которая позволит превратить окна в экологичные генераторы электроэнергии.

Понятно, что для максимально эффективного использования солнечной энергии коллекторы должны располагаться в местах непосредственного контакта с солнечными лучами. До сих пор таковыми считались только крыши домов. Новая разработка позволит расширить применение солнечных технологий еще и на поверхности окон.

Совместная разработка ученых Брукхэвенской национальной лаборатории и Лос-Аламосской национальной лаборатории представляет собой прозрачную тонкую пленку, способную поглощать свет и генерировать электрический заряд. Материал, описанный в журнале «Chemistry of Materials», можно было бы использовать для создания прозрачных панелей солнечных батарей или даже окон, поглощающих солнечную энергию и вырабатывающих электричество.

Новый материал состоит из полупроводниковых полимеров с добавлением фуллеренов – молекул, состоящих из шести атомов углерода. При точном соблюдении условий технологического процесса материал самостоятельно структурируется, создавая на относительно большой (в несколько миллиметров) площади повторяющийся узор из шестигранных ячеек микронного размера (структура, изначально свойственная фуллеренам).

«Такие тонкие сотовые пленки уже создавались из обычных полимеров вроде полистирола, но наш материал впервые сочетает в себе полупроводники и фуллерены, что дает ему возможность поглощать свет, а также эффективно генерировать и разделять электрические заряды», – заметил Мирче Котлет, физхимик из Брукхэвенского Центра функциональных наноматериалов (CFN).
Кроме того, материал остается практически прозрачным, поскольку при добавлении фуллеренов полимерные цепи выстраиваются по краю микронных шестиугольников, а в центре их слой остается неплотным и очень тонким. Как пояснил Котлет, более плотные края шестиугольников усиленно поглощают свет и могут способствовать проведению электричества, в то время как их центральная часть относительно прозрачна, а потому поглощает очень мало света.

«Сочетание этих особенностей при достижении крупномасштабного структурирования сделает возможным практическое применение технологии, например, для создания энергогенерирующих солнечных окон, прозрачных панелей солнечных батарей или новых видов дисплеев», – заявил Чжихуа Сюй, ученый-материаловед из CFN.
Для получения солнечной сотовой пленки ученые пропустили сквозь тонкий слой смешанного раствора полимера и фуллерена поток крошечных (микронных) капель воды. В растворе полимера эти капли воды самоорганизовались в большие матрицы. После полного испарения растворителя полимер принял форму гексагональной сотовой решетки достаточно большой площади. По утверждениям разработчиков, этот метод достаточно эффективен для того, чтобы применяться не только в лабораторных условиях, но и в масштабах промышленного производства.

Ученые проверили равномерность сотовой структуры при помощи различных методов сканирования и электронной микроскопии, а также протестировали оптические свойства и эффективность формирования заряда на разных частях сотовой структуры (по краям, в центре ячеек, в местах пересечения отдельных ячеек) с помощью регулируемой во времени софокусной флуоресцентной микроскопии.
Оказалось, что степень уплотнения полимера определяется скоростью испарения растворителя, что, в свою очередь, влияет на скорость переноса заряда сквозь материал. Чем медленнее испаряется растворитель, тем плотнее располагается полимер, и тем лучше переносится заряд.

«Наша работа позволила глубже понять оптические свойства сотовой структуры. Следующий шаг – использование этих тонких сотовых пленок для изготовления прозрачных, гибких и экологически чистых солнечных элементов и других устройств», – заключил Мирче Котлет.

Как известно, классические солнечные панели темного цвета либо синего, либо почти черного. Из-за этого они зачастую очень сильно выделяются на фоне здания, внося ощутимый диссонанс в его архитектурный стиль. Кроме того, цветовые особенности приходится учитывать и проектировщикам при разработке современных энергоэффективных зданий и малых архитектурных форм. Решение этой проблемы было найдено не так давно: ученые разработали прозрачные солнечные батареи для фасадов и систем остекления.

Сфера применения прозрачных панелей весьма обширна:

• Остекление фасадов;
• Возведение зимних садов;
• Строительство теплиц и животноводческих комплексов;
• Остекление павильонов;
• Создание стеклянных крыш и внутренних двориков (атриумов);
• Остекление мансард и пентхаусов;
• Создание разного рода солнцезащитных систем (над зонами отдыха, бассейнами и т.д.).

Главная особенность таких панелей заключается в использовании невидимого спектра солнечных лучей, его инфракрасной и ультрафиолетовой частей. При этом поглощение и «переработка» инфракрасного излучения имеют еще одно преимущество – минимизация теплового воздействия. Дело в том, что перегрев фотопанелей, из-за которого они нуждаются в дополнительном охлаждении, вызывает именно ИК-спектр. Прозрачные же модели поглощают ИК-лучи, и они не разогревают сами панели. Это означает, что появляется возможность отказаться от систем охлаждения и снизить общие расходы на установку гелиополя.

Нюансы конструкции

В настоящее время выпускаются прозрачные панели двух типов: на стеклянных основаниях и на гибких подложках. Гибкие варианты напоминают тонировочную пленку и предназначены для наклеивания на прозрачные конструкции (окна, панели остекления фасадов и т.д.). Их светопропускная способность достигает 70%, что фактически не сказывается на уровне освещенности помещения. Создаются они из гибкого композитного материала, схожего с пластиком. Использование современных разработок позволяет минимизировать затраты на производство подобных пленок и сделать их изготовление экономически выгодным.

Второй вариант прозрачных панелей – нанесение двухслойной пленки на основание из закаленного стекла. Для возведения фасадов применяются именно такие панели. На закаленную стеклянную подложку (нередко – триплекс) наносится тонкая пленка аморфного кремния последнего поколения. Сверху на нее напыляется прозрачная микропленка кремния. Аморфный кремний преобразует видимый спектр, а микропленка – ИК-лучи.

Причем, благодаря использованию особых красящих веществ, ученые смогли придавать прозрачным фасадным панелям практически любой оттенок. Это означает, что с помощью таких батарей можно создавать любые фасадные композиции. Кроме того, разработчики активно используют в прозрачных панелях органические красители, обладающие фотоэлектрическими свойствами.

Такая технология позволяет повысить КПД изделия, одновременно придав ему нужный цвет. Органический краситель дополняется нанокомпонентами, помещается между двумя стеклянными подложками, а стыки заполняются стеклянным порошком. Затем полученный «сэндвич» запекается при температурах порядка 600°С. В итоге получается бескремниевая фотопанель с КПД около 4%. Правда, стоимость подобных изделий пока что превышает экономическую выгоду от их массового производства.

Производительность прозрачных панелей

Несмотря на массу достоинств, прозрачные фасадные панели имеют и некоторые недостатки, которые пока что мешают их повсеместному распространению. Главный же ограничитель заключается в низкой производительности. КПД подобных изделий пока лишь немногим более 1%. Однако ученые ведут активные работы по улучшению энерговыработки и рассчитывают в ближайшем будущем довести КПД до 5%. Этого будет достаточно для начала промышленного производства и внедрения прозрачных фасадных панелей.

Малая производительность будет окупаться легкостью монтажа и отсутствием необходимости поиска дополнительного места установки. В конечном итоге затраты на монтаж таких панелей будут не больше расходов на размещение обычных кремниевых фотобатарей. Значительная же площадь стеклянных конструкций (которые в своем обычном виде, по сути, не приносят никакой практической пользы) позволит им вырабатывать вполне ощутимое количество электроэнергии.

Еще одно перспективное направление, возможное при увеличении КПД, - использование таких «фотостекол» в экранах ноутбуков, планшетов, смартфонов и т.д.

Добиться полной прозрачности панелей солнечных батарей удалось исследователям из Мичиганского Университета. Это достижение делает возможным превращение любого окна или экранных поверхностей (например, вашего смартфона), в солнечный фотоэлектрический элемент. В отличие от прежних разработок, о которых сообщалось ранее, этот вариант батареи практически полностью прозрачный, в этом можно убедиться, взглянув на фотографию выше.

Руководитель исследований Ричард Лунт сообщил, что есть уверенность в том, что такие солнечные батареи на самом деле могут быть применимы в очень широком диапазоне: от окон многоэтажек до экранов мобильных девайсов, таких как телефон или электронная книга.

С научной точки зрения прозрачная панель солнечной батареи является чем-то вроде оксюморона. Солнечные батареи, дейтвующие по принципу фотоэклектрического эффекта, поглощают фотоны (солнечный свет), преобразовывая их затем в элетроны (электричество). Но если материал, который вы видите, прозрачен, это значит, что солнечный свет не был поглощен, а прошел сквозь него, достигнув сетчатки вашего глаза. Именно этот момент не могли раньше обойти разработчики, стараясь создать полностью прозрачные солнечные батареи. Они (батареи) были частично прозрачные, и, вдобавок ко всему, как правило, имели радужные разводы.

Чтобы решить эту проблему, исследователи Мичиганского Университета использовали несколько другую технологию «собирания» солнечных лучей.

Отказавшись от попыток создать полностью прозрачный фотоэлектрический элемент (что почти невозможно), они использовали так называемый прозрачный люминесцентный солнечный концентратор (TLSC )

TLSC –материал, состоящий из органических солей, поглощает невидимое глазу излучение ультрафиолетового и инфракрасного спектра, которое затем преобразовывает в инфракрасные волны определенной длины (тоже невидимые для глаз). Полученное инфракрасное излучение направляется к краям пластины, где тонкие полоски фотоэлектрических солнечных батарей уже обычного действия преобразовывают его в электричество.

Если вы внимательно присмотритесь, то увидите черные полоски на срезе листа пластика. Таким образом, из-за того, что органический материал составляет большую часть солнечной панели, она высоко прозрачна.

На сегодняшний день КПД мичиганского TLSC пластика составляет 1%. Однако, по мнению ученых, вполне вероятно, может быть доведен до 5%.

Аналогичные Непрозрачные люминисцентные концентраторы, (заполняющие комнату радужным светом), имеют максимальное КПД 7%. Сами по себе эти цифры не являются огромными и не впечатляют, но в большом масштабе – например, при использовании в каждом окне дома или офиса, цифра быстро увеличивается.

Кроме того, пока не создана технология, поддерживающая беспрерывную работу вашего смартфона или телефона в течение неопределенного срока, замена дисплея устройства на изготовленный из TLSC экран, может увеличить на несколько минут или часов срок его работы на аккумуляторе без подзарядки.

Разработчики уверены, что технология может получить широкое распространение: от применения в глобальных промышленных масштабах до бытового домашнего уровня. До сих пор одним из самых больших препятствий на пути широкомасштабного использования солнечных батарей, была их громоздкость и неэстетичность. Очевидно, если станет возможно преобразовывать солнечный свет в злектроэнергию с помощью листов стекла или пластика, ничем не отличающихся от обычных, применение таких солнечных панелей будет разносторонним.