Самые эффективные и самые экологически чистые фотоэлементы в мире

новые фотоэлементыВ настоящее время ученые активно занимаются разработкой экологически чистых фотоэлементов будущего, которые будут захватывать в два раза больше солнечной энергии, чем уже существующие фотоэлементы. Идея состоит в том, чтобы объединить два разных типа фотоэлементов, что позволит использовать гораздо большую часть спектра солнечного света.

«Это будут самые эффективные и экологически чистые фотоэлементы в мире. Безусловно, что сейчас уже есть фотоэлементы, которые столь же эффективны, но они дорогие и токсичные. Кроме того, материалы для наших фотоэлементов доступны в больших количествах. Это важный момент», — говорит профессор Бенгт Свенссон из факультета физики Университета Осло (UiO) и Центра материаловедения и нанотехнологий (SMN).

Свенссон является одним из ведущих исследователей в области солнечной энергетики в Норвегии и в течение многих лет возглавлял крупные исследовательские проекты в Лаборатории микро и нанотехнологий (MiNaLab), которая совместно принадлежит Университету Осло (UiO) и Фонду научных и промышленных исследований норвежского технологического института (Sintef). Используя нанотехнологии, атомы и молекулы можно объединить в новые материалы с очень особыми свойствами.

Сейчас физики используют самые лучшие нанотехнологии для разработки новых фотоэлементов в рамках европейского исследовательского проекта Solhet (высокоэффективные тандемные гетеропереходы для конкретных применений), который является совместным проектом с участием Университета Осло (UiO), Института энергетики (IFE) в Кьеллере, Норвегия и политехнического Университета в Бухаресте вместе с двумя другими румынскими институтами.

Их цель состоит в том, чтобы использовать больше спектра солнечного света, чем это возможно в настоящее время. 99% современных фотоэлементов сделаны из кремния, который является одним из наиболее распространенных элементов на Земле. К сожалению, кремниевые фотоэлементы способны использовать только 20% солнечного света. Мировой рекорд составляют 25%, но эти фотоэлементы покрыты редкими материалами, которые также токсичны. Теоретический предел для кремниевых фотоэлементов составляет 30%. Объяснение этому пределу состоит в том, что кремниевые фотоэлементы захватывают в основном световые волны красного спектра солнечного света. Это означает, что большинство световых волн остается неиспользованным.

Новые фотоэлементы будут состоять из двух энергопоглощающих слоев. При этом первый слой состоит из кремния.

«Красные длины волн солнечного света производят электричество в кремниевых фотоэлементах очень эффективным способом. Мы проделали большую работу с кремнием, поэтому нужно сделать еще одно небольшое усилие, чтобы получить максимальный результат».

Новая идея заключается в добавлении еще одного слоя поверх кремния. Этот слой состоит из оксида меди и способен захватывать световые волны синего спектра солнечного света.

«Нам удалось создать слой оксида меди, который захватывает 3% энергии солнечного света. Мировой рекорд составляют 9%. В настоящее время мы интенсивно работаем над увеличением этого процента до 20%. Сочетание кремния в одном слое и оксида меди в другом означает, что фотоэлемент будет поглощать гораздо больше света и тем самым уменьшать потерю энергии. Благодаря такой комбинации мы можем использовать от 35 до 40% солнечного света», — подчеркивает Бенгт Свенссон.

Покрытие фотоэлемента составляют и другие слои. На задней поверхности наносится защитный стеклянный слой, а также металлический слой, который будет отводить электроэнергию из фотоэлемента. Передняя сторона фотоэлемента покрывается антиотражающим покрытием, которое способствует захвату солнечных лучей, а не их отражению.

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, который будет толщиной один-два нанометра. Сначала несколько теоретических объяснений.

Все компоненты этих фотоэлементов состоят из полупроводниковых материалов. Полупроводники обладают особыми электрическими свойствами. Эти электрические свойства определяются шириной запрещенной зоны. Ширина запрещенной зоны указывает на то, сколько энергии потребуется для создания проводящих электронов. Материалы без какой-либо ширины запрещенной зоны проводят электричество. Материалы с большой шириной не проводят электричество. Полупроводники являются материалами с умеренной запрещенной зоной, что означает, что они лишь частично проводят электричество. Нанотехнология используется для разработки материалов с очень узкой шириной запрещенной зоны.

Когда фотоны, т. е. солнечные частицы, ударяются о фотоэлемент, то в него поступает энергия. Эта энергия побуждает электрон проходить через запрещенную зону в так называемую зону проводимости, где электроны собираются и отводятся в качестве энергии. Электроны оставляют электронные дыры. Как электроны, так и электронные дыры могут проводить ток.

«Задача состоит в том, чтобы разработать окись октогена с такой шириной запрещенной зоны, которая была бы достаточно велика, чтобы захватить электроны до того, как они упадут обратно в свои электронные дыры. Мы работаем над этим в течение ряда лет, и мы начинаем понимать, как это можно сделать».

Хотя времени мало, есть луч света: если электроны сместились из электронных дыр более чем на миллисекунду, их можно захватить.

Одной из нерешенных проблем в новых фотоэлементах являются граничные зоны между различными слоями.

«Когда слои наносятся друг на друга, происходят химические реакции, которые уменьшают или в худшем случае разрушают фотоэлементы».

Одной из проблем является граничная поверхность между слоем, который захватывает энергию синего света и внешним слоем оксида цинка, который защищает фотоэлемент и выводит из него ток. К сожалению, электроны затухают на этой граничной поверхности.

Самая большая проблема заключается в граничной поверхности между слоем кремния, который захватывает энергию красного света, и слоем оксида меди, который захватывает энергию синего света.

Каждый из двух слоев сам по себе функционирует хорошо, и именно здесь нужно добраться до сути. Проблема возникает, если оба слоя сложить вместе. Именно тогда происходят неблагоприятные химические изменения.

«Химические изменения могут изменить ширину запрещенной зоны. Если ширина запрещенной зоны неправильная или неполноценная, то электронные дыры заполняются до того, как электроны будут захвачены.»

Одна возможность состоит в том, чтобы между слоями разместить другие вещества, которые позволят свести к минимуму химические изменения.

Есть много способов создания этого буферного слоя. «Мы намерены использовать материал, обогащённый водородом. Это может успокоить химические изменения и увеличить срок службы электронов и электронных дыр». Другая возможность состоит в том, чтобы связать буфер оксидом галлия, но это вещество не совсем экологически чистое. Чистый галлий токсичен. Если сделать буфер тоньше одного — двух нанометров, то химическое воздействие сводится к минимуму. «Чем толще промежуточный слой, тем больше электронов будут тормозиться в ходе движения. Это разрушает электрическую мощность. Если электроны тормозятся в буферном слое, то фотоэлемент прекращает свою работу.»

Теоретическое моделирование того, как можно сформировать промежуточный слой, делается в политехническом университете в Бухаресте. «Они очень хороши в вопросах  теоретического моделирования,» говорит Бенгт Свенссон.

Профессор Лаурентиу Фара из политехнического университета в Бухаресте говорит, что, помимо всего прочего, они рассчитали и смоделировали оптимальную толщину слоев фотоэлемента, нашли наилучший способ соединения слоев и теоретически рассчитали максимально возможное количество электроэнергии, которое можно извлечь из фотоэлемента.

«У нас есть большие надежды, что эти фотоэлементы могут стать заслуживающими доверие и прибыльными, но мы очень хорошо понимаем, что значительная часть тяжелой работы все еще не сделана», подчеркивает Лаурентиу Фара. Университет Осло выполняет экспериментальную часть работы. IFE будет разрабатывать прототип для производства фотоэлементов в больших объемах. Кроме того, Институт энергетики (IFE) является главным координатором всего исследовательского проекта.

«Мы уже много лет работаем над фотоэлементами, основанными на кремние, в сотрудничестве с норвежской промышленностью, занимающейся производством фотоэлементов. Сейчас мы работаем над тем, как объединить два слоя фотоэлемента, чтобы получить от него максимальную производительность, а также над тем, как эти оба слоя влияют друг на друга с точки зрения оптики и электрики», говорят Шон Эрик Фосс и Ёрнулф Нордсет из Института энергетики (IFE) в Кьеллере.

Они говорят, что очень многие исследователи и технологические фирмы работают сейчас над новыми типами фотоэлементов с кремнием в нижнем слое и «более экзотическими материалами» в верхнем слое.

Румынская компания по производству фотоэлементов Wattrom намерена показать, что производство новых фотоэлементов возможно.

«Сама по себе эта технология недорогая, ее легко можно адаптировать для производства фотоэлементов в больших объемах, и производство фотоэлементов из оксида меди будет не дороже, чем на основе кремния,» говорит Бенгт Свенсон.

Он считает, что производство таких фотоэлементов будет очень выгодным из-за более высокого уровня использования спектра солнечного света.

«Даже увеличение эффективности на 10% дает существенные экономические выгоды для промышленного производства таких фотоэлементов, но мы говорим здесь о гораздо более резком увеличении эффективности».

Кроме того, такие фотоэлементы будут хорошо работать даже в тех частях земного шара, где солнце находится низко над горизонтом, например, в Скандинавии.

Он считает, что в будущем новые эффективные фотоэлементы могут изменить весь образ мышления об энергии.

«Солнце предоставляет для нас огромный источник энергии, и если бы мы могли использовать солнечный свет на сто процентов, то одного часа солнечного света в течение года было бы достаточно, чтобы удовлетворить все потребности Земли в электроэнергии. Таким образом, потенциал просто огромен. Солнечная энергия — это, по сути, возобновляемый источник энергии, имеющий наибольший потенциал среди всех прочих. Это то, что мы хотим использовать», — говорит Бенгт Свенссон.

Источник: https://www.sciencedaily.com/releases/2017/03/170321123825.htm

Написать нам