С развитием технологий и переходом к более устойчивым источникам энергии, мир активно работает над созданием более эффективных и доступных решений для производства солнечной энергии. В последнее время мы стали свидетелями появления двух новых технологий в гелиоэнергетике: перовскитных солнечных элементов и прозрачных солнечных панелей.
Перовскитные солнечные элементы являются новым поколением фотоэлектрических технологий, разработанных с использованием перовскитов - кристаллических материалов, состоящих из органических молекул и галогенидов металлов.
Они обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными кремниевыми элементами, такими как более высокая эффективность преобразования энергии, гибкость и настраиваемость.
Благодаря этим свойствам, перовскитные элементы привлекают внимание ученых и производителей, способных обеспечить более эффективное использование солнечной энергии и ее интеграцию в различные устройства и приложения.
Прозрачные солнечные панели - это еще одна инновация в области солнечной энергетики, которая позволяет использовать стекло или другие прозрачные материалы для создания фотоэлектрических устройств.
Эта технология позволяет интегрировать производство энергии непосредственно в здания и конструкции, что значительно упрощает процесс установки и использования солнечных панелей и снижает затраты на их производство.
Перовскитные солнечные элементы
В поисках более эффективных, экологически чистых и универсальных солнечных технологий ученые разработали перовскитовые фотоэлементы, способные, по их мнению, произвести революцию в области гелиоэнергетики. Эти элементы были названы в честь минерала перовскита и привлекли внимание СМИ благодаря своим быстрым темпам роста эффективности и уникальным свойствам.
В основе этой инновации лежит перовскитовый материал - кристаллическая структура, полученная при соединении органических молекул и галогенидов металлов. Этот материал обладает рядом уникальных характеристик:
- Высокое светопоглощение. Перовскиты обладают врожденной способностью поглощать видимые световые волны - а это значит, что они способны генерировать большое количество энергии даже при тонком слое материала.
- Настраиваемость. Одним из самых перспективных свойств перовскитных фотоэлементов является их настраиваемость. Путем регулирования их состава можно настроить спектр поглощения элементов таким образом, чтобы они улавливали максимальное количество солнечного света. Это позволяет создавать многослойные элементы, способные поглощать весь спектр солнечного света.
- Гибкость и легкость. В отличие от жестких традиционных кремниевых фотоэлементов, перовскитовые могут быть изготовлены на гибких подложках. Это делает их идеальными для широкого спектра применений - от носимых электронных устройств до аэрокосмической отрасли.
Рост эффективности
Одной из наиболее поразительных особенностей перовскитовых солнечных батарей является их быстрый рост эффективности. В течение десяти лет их эффективность в лабораторных условиях выросла с всего лишь 3-4% до более 25%. Они конкурируют и даже превосходят обычные кремниевые солнечные элементы на основе кремния.
Преимущества производства
Производство перовскитных элементов имеет ряд преимуществ:
- Низкотемпературная обработка. В отличие от кремниевых элементов, требующих высокотемпературной обработки, производство перовскитных солнечных элементов может осуществляться при гораздо более низких температурах. Это делает процесс менее энергоемким и, следовательно, потенциально более дешевым.
- Изготовление на основе раствора. Перовскиты можно растворить в жидкости и затем напечатать на подложке. Это позволяет производить их на рулонных машинах, подобно печати на газетах. Это может существенно увеличить скорость производства и уменьшить затраты.
Проблемы, которые необходимо преодолеть
Несмотря на огромный потенциал, перовскитные солнечные элементы без проблем:
- Стабильность и долговечность. В настоящее время долгосрочная стабильность данных элементов является одним из главных препятствий. Воздействие таких факторов, как влажность, тепло и ультрафиолетовое излучение, может привести к разрушению перовскита.
- Проблемы токсичности. В некоторых перовскитных элементах используется свинец, что порождает опасения по поводу экологии и здоровья людей. Тем не менее, исследователи активно ищут альтернативы без использования свинца, чтобы решить эту проблему.
- Увеличение масштаба. Необходима работа над масштабированием технологии до коммерческих размеров, сохраняя при этом высокую эффективность.
Перспективные применения
Универсальность перовскитовых элементов открывает двери для применения ранее невообразимых:
- Интегрированная фотовольтаика зданий (Фотоэлектрические системы, интегрированные в здание, BIPV). Их Гибкость и полупрозрачность делают их идеальными для интеграции в фасады зданий, окна и даже крыши.
- Портативная электроника. Учитывая их гибкость и малый вес, перовскитные элементы могут быть встроены в рюкзаки, портативную технику или даже палатки, обеспечивая энергией туристов в походах.
- Аэрокосмическая промышленность. В аэрокосмической отрасли, где вес играет критическую роль, легкая природа перовскитных элементов потенциально может сделать их пригодными для использования в спутниках или высоко летающих беспилотных аппаратах.
Перовскитные солнечные элементы, обладающие уникальным набором преимуществ, имеют потенциал для изменения солнечной индустрии. Несмотря на сохраняющиеся проблемы, тем не менее темпы развития исследований и разработок неоспоримы.
Про первоскитные солнечные элементы мы ранее писали в статье Перовскитные солнечные батареи - что может предложить новая технология?
Прозрачные солнечные панели
Представьте оживленный город, где каждое окно небоскреба служит двойной цели как солнечная панель, где автомобили мчатся мимо с крышами, которые собирают солнечный свет, и где бытовые электронные устройства заряжаются от света, проникающего через их экраны. Это не фантастический образ отдаленного будущего, это обещание, которое воплощают в себе прозрачные солнечные панели.
Наука о прозрачности солнечных панелей
Традиционная солнечная панель является непрозрачной, потому что она должна поглощать солнечный свет для преобразования его в электричество. Идея создания прозрачной солнечной панели на первый взгляд может показаться нелогичной - как такая панель может генерировать энергию, если сквозь нее проходит свет? Секрет кроется в научном подходе к избирательному использованию части солнечного спектра.
1. Использование невидимого спектра. Прозрачные солнечные панели улавливают в первую очередь ультрафиолетовое (УФ) и инфракрасное (ИК) излучения, которые невидимы для человеческого глаза. При этом видимый свет свободно проходит через панель, а поглощенные невидимые волны преобразуются в электроэнергию.
2. Органические фотоэлектрические элементы (OPV). Прорывом в разработке прозрачных панелей стали органические фотоэлектрические элементы. В этих элементах используют органические соединения, настроенные на поглощение определенных длин волн, что позволяет проходить остальным волнам сквозь них.
3. Многослойная структура. Для обеспечения прозрачности, эти панели обычно имеют несколько сверхтонких слоев. Эти слои не только помогают поглощать ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, но и обеспечивают структурную прочность и долговечность.
Преимущества за пределами прозрачности
Привлекательность прозрачных солнечных панелей выходит за рамки их прозрачности:
- Эстетическая интеграция. Их прозрачность позволяет легко интегрировать их в архитектурный дизайн без эстетических нарушений, которые обычно связаны с солнечными панелями.
- Пространство в городах. Превращая окна и фасады в источники энергии, прозрачные солнечные панели могут использовать огромное количество солнечной энергии, не занимая дополнительного пространства.
- Универсальность. От автомобильных люков и экранов смартфонов до навесов на автобусных остановках - применение прозрачных солнечных панелей не знает границ.
Проблемы на горизонте
Как и все новые технологии, прозрачные солнечные панели имеют ряд проблем:
- Компромисс в эффективности. В настоящее время прозрачные солнечные панели обладают меньшей эффективностью по сравнению с непрозрачными аналогами. Это связано с тем, что они улавливают не весь спектр солнечного света.
- Высокая стоимость. Передовые материалы и производственные технологии могут сделать прозрачные панели дороже традиционных, по крайней мере на начальном этапе.
- Долговечность. Учитывая их предполагаемое использование в предметах повседневного обихода, таких как окна или дисплеи, очень важно, чтобы такие панели сохраняли свою эффективность и не царапались со временем.
Перспективные внедрения
Прозрачные солнечные панели находят применение не только в окнах небоскребов, но и в других сферах:
- Бытовая электроника. Такие устройства, как смартфоны, смарт-часы и планшеты, могут выиграть от использования прозрачных солнечных панелей, встроенных в их дисплеи, обеспечивая дополнительное питание и увеличивая время работы от батареи.
- Транспорт. В транспортные средства, оснащенные крышами или большими ветровым стеклами, могут быть интегрированы данные панели, обеспечивая дополнительный источник питания, особенно полезный для электрических автомобилей.
- Общественная инфраструктура. Автобусные остановки, пешеходные переходы и общественные здания могут использовать прозрачные солнечные панели для питания освещения, информационных дисплеев и других элементов инфраструктуры.
Прозрачные солнечные панели - это инновация, которая объединяет эстетику и функциональность. Впереди еще много проблем, но потенциальные последствия для городского планирования, архитектуры и повседневной жизни весьма значительны.
Андрей Повный, УО БГТУ "Гомельский государственный политехнический колледж", редактор сайта Школа для электрика