В близком будущем солнечная энергетика, по-видимому, обогатится прорывными технологиями, которые позволят сделать фотоэлектрические панели намного эффективнее и дешевле. О результатах очередных исследований в перспективной отрасли сообщают статьи, опубликованные в изданиях Nature Energy и Nature Photonics. Новые работы посвящены двум вопросам: использованию низкоэнергетического излучения и существенному улучшению многообещающих перовскитных элементов.
Невидимый свет
Далеко не весь солнечный свет относится к видимой части спектра. Немалая часть его приходится, с одной стороны, на более энергичный и коротковолновый ультрафиолет, а за другим пределом видимого диапазона – на инфракрасные лучи. Они характеризуются большими длинами волн и меньшей частотой, а, следовательно, и энергией.
Источниками незримых инфракрасных лучей являются также и сама наша планета, и человеческая техника. Иными словами, нас окружает море невидимого света, однако использование его для нужд энергетики до сих пор было сопряжено с большими трудностями. Дело в том, что большая часть их находится за пределами чувствительности современных фотоэлектрических элементов, в том числе и наиболее восприимчивых к длинноволновому излучению кремниевых панелей.
Помогут квантовые точки и кислород
Американские и австралийские исследователи предложили повысить частоту поглощаемого фотоэлементом света с помощью технологии, основанной на «склейке» нескольких низкоэнергетических фотонов. Она может быть осуществлена в органических полупроводниках с помощью особых квантовых состояний, или квазичастиц, известных как экситоны. Они способны мигрировать в полупроводнике без переноса электрического заряда.
Трудность состояла в том, чтобы осуществить этот процесс вне пределов запрещенной энергетической зоны, то есть на энергиях, позволяющих электронам в кремниевом элементе попасть в зону проводимости. Ученым удалось решить эту проблему с помощью полупроводниковых квантовых точек (нанокристаллов с особой структурой, позволяющей изменять энергию световой волны) и кислорода.
Исследователи установили, что энергию инфракрасного света, поглощенного в квантовых точках, молекулы кислорода могут транспортировать к слою органического вещества. Здесь в процессе распада экситонов излучается уже видимый свет, воспринимаемый кремниевым полупроводником.
Перовскиты: удобные и дешевые
Еще одно исследование, проведенное специалистами из Окинавского институтом науки и технологий (Япония), посвящено улучшению характеристик солнечных панелей, содержащих материалы с перовскитной кристаллической структурой.
Перовскитные фотоэлементы выгодно отличаются от кремниевых дешевизной производства. Их можно легко получать из раствора в виде нанопленок в качестве покрытий для любых поверхностей.
Еще одно отличие перовскитов от кремния – способность к поглощению более высокочастотных световых лучей зеленой и голубой области спектра. Поэтому одним из перспективных направлений энергетики является объединение этих двух материалов в многослойных панелях.
Японские ученые предлагают новый путь: совсем избавиться от дорогостоящего, сложного в изготовлении, громоздкого и тяжелого кремниевого элемента. Солнечную панель, уверены они, можно сделать дешевле и производительнее с использованием одних лишь перовскитов.
Без кремния
Для этого нужно «научить» перовскитные пленки поглощать длинноволновые красные лучи не менее эффективно, чем кремний. Такая возможность появилась с добавлением олова в состав одного из слоев перовскита. Оловосодержащий слой успешно поглощает красный свет.
Есть и более серьезные трудности. Перовскитные панели быстро деградируют из-за неустойчивости материала в присутствии кислорода. Кроме того, большинство соединений с перовскитной структурой отличаются токсичностью.
Для решения этих проблем японцы разработали особое покрытие. Испытание экспериментального модуля показало, что он остается стабильным и поддерживает высокую производительность в течение как минимум 2000 часов.
Путь к дешевой солнечной энергии
Оба предложенных учеными варианта развития гелиоэнергетики требуют серьезных доработок, для которых необходимы дальнейшие исследования и эксперименты. Однако несомненно, что новые идеи, находящиеся еще в самом начале своего воплощения, обладают большим потенциалом.
Так, использование инфракрасного излучения обещает значительно повысить производительность солнечных батарей. Пока КПД экспериментальных образцов низок, но у ученых уже есть соображения относительно способов его увеличения.
Что касается перспектив широкого использования перовскитных материалов, можно быть уверенными в их большом будущем. Ученым предстоит еще немало поработать над устранением их недостатков, и успех в этой работе будет означать, что дешевые и простые в изготовлении, легкие и гибкие батареи нового поколения в скором времени станут наконец реальностью.
