Перспективные разработки в области солнечных элементов

Перспективные разработки в области солнечных элементов

Выпуск 10 (6709) от 28 мая 2020 г.
РУБРИКА: ГЕЛИОТЕХНИКА

Развитие средств гелиотехники, в частности солнечных элементов и панелей, требует поиска новых материалов, способных увеличить коэффициент преобразования солнечного света в электричество и, соответственно, производительность. Особое внимание уделяется ширине запрещенной зоны перспективных материалов. Один из активно изучаемых материалов – ​двустенные углеродные нанотрубки. Недавно ученые Университета Райса опубликовали результаты последних работ по этому направлению. Также интересны работы специалистов Уппсальского университета по созданию солнечных элементов для помещений и работы Университета Пердью по созданию новых стабильных материалов на основе перовскитов.


Двустенные УНТ для гелиотехники

Исследователи постоянно ищут новые материалы для оптимизации производительности электронных приборов. Один из наиболее перспективных материалов в этом плане – ​углеродные нанотрубки (УНТ), обладающие высокими электрическими свойствамм. Усилия в этой области до сих пор были сосредоточены в основном на одностенных УНТ. Однако недавно группа ученых из Университета Райса (Хьюстон, шт. Техас, США), изучая многостенные УНТ, обнаружила, что они также могут обладать желательными для электронных применений свойствами, особенно для использования в гелиотехнике.

Многостенные УНТ характеризуются структурой, напоминающей матрешку – ​они вложены друг в друга. Эта конфигурация порождает уникальный сценарий запрещенной зоны, заставляющий материал вести себя иначе, чем в случае одностенных УНТ. В частности, разработчики из Университета Райса рассчитали влияние кривизны полупроводниковых двухстенных УНТ на их флексоэлектрическое напряжение – ​меру электрического дисбаланса между внутренней и внешней стенками нанотрубки. Это явление обеспечивает спаренным нанотрубкам правильной конфигурации определенные преимущества при применениях в области наноэлектроники и материалов, используемых в гелиотехнике – ​например, в солнечных панелях и других приборах, генерирующих солнечную энергию.

Создаваемая кривизна приводит к разрыву запрещенной зоны, что оказалось очень полезным для разделения зарядов под воздействием света на положительные и отрицательные – ​иначе говоря, создается ситуация, желательная для работы солнечных батарей.

Нынешнее исследование основано на предыдущем исследовании 2002 г., когда было обнаружено, что перенос заряда (разность между положительным и отрицательным полюсами, обуславливающая существование между ними напряжения) линейно масштабируется по кривизне стенки нанотрубки. В последнем исследовании ученые выяснили, что ширина трубки диктует кривизну, поэтому чем тоньше нанотрубка (а следовательно, больше кривизна), тем больше потенциальное напряжение.

Изогнутый графен (планарный слой sp2-связанных атомов углерода, двумерный аналог трехмерного графита, основа УНТ) ведет себя иначе, чем плоский лист графена, где плотность заряда атомов по обе стороны плоскости идентична. Кривизна нарушает эту симметрию, создавая флексоэлектрический локальный диполь в направлении кривизны и пропорционально ей (рис. 1). Слабовыраженный эффект этого явления возникает и в одностенных УНТ, но наличие более чем одной стенки усложняет баланс и изменяет способ распределения электронов.

В двухстенных УНТ кривизна внутренней и внешней трубок различается, в силу чего у каждой из них формируется отдельная запрещенная зона. Разработчики заявляют, что модели, показывающие флексоэлектрическое напряжение внешней стенки, демонстрируют и смещение запрещенной зоны внутренней стенки. Взаимодействие различных значений кривизны создает шахматное выравнивание запрещенной зоны во вложенной системе.



Источник: Университет Райса

Рисунок 1. Флексоэлектрические эффекты в двухстенных УНТ: электрический потенциал (Р) атомов по обе стороны графенового листа (вверху) идентичен; при сворачивании листа в двухстенную нанотрубку (внизу) демонстрируются уникальные явления, поскольку запрещенные зоны во внутренних и внешних трубках расположены в шахматном порядке


Исследователи определили, какие именно пары нанотрубок будут обладать этим особым, очень желательным типом разрыва запрещенной зоны, называемым «ступенчатым», или «типом 2», и возникающим благодаря кривизне и падению напряжения, которое она вызывает.

Обнаруженный эффект дает огромное преимущество при создании солнечных батарей. По сути, это необходимое условие для разделения положительных и отрицательных зарядов, порождающего ток.

При поглощении света электрон всегда перескакивает с вершины занятой валентной зоны (оставляя за собой положительный дырочный заряд) в самое низкое состояние свободной зоны проводимости, но при шахматном расположении запрещенных зон дырки и электроны оказываются в разных трубках (или слоях). Положительные и отрицательные заряды разделяются между трубками и могут утекать, создавая ток в цепи.

Исследователи Университета Райса считают, что результаты их работы можно применить и к нанотрубкам, изготовленным из других материалов, таких как нитрид бора и дисульфид молибдена, а также к гибридным нанотрубкам, изготовленным из этих материалов в сочетании с углеродом [1].


Солнечные элементы для помещений

Солнечное излучение – ​это один из источников обеспечения энергией бесчисленных устройств и датчиков, развертываемых при создании сетей Интернета вещей и во все большей степени подключенных к сетям (умных) домов. Однако внутри помещений в основном используется не солнечное, а искусственное освещение. Исследователи Уппсальского университета (Швеция) разработали новый тип солнечных элементов, способных преобразовывать свет ламп внутреннего освещения для обеспечения энергией приборов Интернета вещей.



Источник: Уппсальский университет

Рисунок 2. Новый тип сенсибилизированных красителем солнечных элементов, генерирующих электричество для питания приборов Интернета вещей от источников внутреннего освещения


По словам исследователей, солнечные элементы, разработанные с использованием сенсибилизированных красителями материалов (солнечные элементы на основе сенсибилизированных красок – ​DSSC), могут преобразовывать в электричество до 34% видимого света. DSSC-материалы изготавливаются из органического красителя, который в результате химического процесса превращается в кристаллы, чувствительные к свету в зеленой, красной или ИК-областях спектра. Фотоэлектрические элементы создаются на основе сложного медного электролита, дающего возможность преобразовывать в электричество свет люминесцентных и светодиодных ламп.

Знание спектров этих источников света позволяет настроить специальные красители на поглощение света. Новые фотоэлектрические элементы способны поддерживать высокое напряжение при низкой освещенности, что важно для питания приборов Интернета вещей.

По мнению исследователей, DSSC-при-боры – ​лучший вариант для разработки фотоэлектрических устройств, способных преобразовывать свет в энергию в условиях рассеянного освещения. Изучение этого типа элементов продолжается с целью применения в интеллектуальных теплицах, офисах, магазинах, складах и т. д.

При разработке адаптивной системы управления питанием датчиков, использующих новую технологию, специалисты Уппсальского университета сотрудничали с исследователями Технического университета Мюнхена (ФРГ). Система, разработанная объединенной группой, способна разумно адаптироваться к уровню доступного света, выполняя вычислительные рабочие нагрузки в соответствии с уровнем освещенности. Это позволяет энергосистеме минимизировать потери энергии при ее хранении, а также оптимизировать использование всей доступной световой энергии.

Благодаря такому сочетанию искусственного интеллекта и автоматизированного обу-чения система солнечных батарей может снизить потребление энергии, продлевая срок службы аккумуляторных батарей, и в конечном счете обеспечить устойчивое электропитание приборов Интернета вещей. Отмечается, что сочетание высокой эффективности, низкой стоимости и использования нетоксичных материалов в гелиотехнических средствах для помещений имеет первостепенное значение для обеспечения устойчивости работы Интернета вещей. Подобные разработки крайне важны в свете ожидаемого развертывания в будущем миллиардов устройств Интернета вещей, передающих данные об условиях окружающей среды, человеко-машинных и межмашинных коммуникациях. Эти устройства также могут способствовать появлению нового поколения робототехники и автономных систем [2].


Солнечные элементы на основе галогенидных перовскитов

Галогенидные перовскиты, мягкие и гибкие материалы, давно привлекали внимание исследователей возможностью увеличить коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую и уменьшить затраты при изготовлении солнечных элементов. Однако эти материалы до сих пор оставались слишком нестабильными для использования.

Объединенная группа исследователей под руководством специалистов из Университета Пердью нашла способ сделать галогенидные перовскиты достаточно стабильными за счет подавления движения ионов, приводящего к их быстрому распаду. Также было обнаружено, что различные галогенидные перовскиты можно этажировать, формируя гетероструктуры, расширяющие функциональность конечных приборов. Было доказано, что солнечные элементы, изготовленные из перовскитов в лабораторных условиях, работают не хуже доступных на рынке солнечных элементов на основе кремния. Перовскиты могут быть даже более эффективными, чем кремний, поскольку расходуют меньше энергии при преобразовании солнечной энергии в электричество. Наконец, тонкие перовскитные пленки можно осаждать из растворов – ​соответственно, появляется возможность производить перовскитные солнечные элементы гораздо дешевле, чем кремниевые, и в больших объемах.

Таким образом, появляется возможность использования данного материала в гелиотехнике и электронных приборах.

В чем суть открытия? Исследователи обнаружили, что легкое разрушение химических связей из-за беспорядочного движения ионов предотвращается простым прикреплением к поверхности перовскита жесткой объемной молекулы битиофенилэтиламмония (bithiophenylethylammonium), которая стабилизирует движение ионов (рис. 3), а также делает перовскит достаточно стабильным для образования чистых атомных соединений с другими перовскитами, обеспечивая их этажирование и интегрирование.

До этого открытия объединять лучшие свойства различных перовскитов было невозможно – ​материалы просто смешивались друг с другом. Теперь же в одной структуре можно добиться сочетания лучших параметров двух (а может, и более) материалов – ​перспективы, о которых прежде оставалось лишь мечтать.

Объемная структура молекулы позволяет перовскиту оставаться стабильным даже при нагревании до 100 °C – ​при этом температурный предел работы современных солнечных элементов ограничен 50–80 °C.

В описанных работах, результаты которых были опубликованы в журнале Nature, также принимали участие специалисты Шанхайского технического университета, Массачусетского технологического института, Калифорнийского университета в Беркли и Национальной научно-исследовательской лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Министерство энергетики США) [3, 4].



Источник: Университет Пердью

Рисунок 3. Поверхность галогенидного перовскита с прикрепленной молекулой битиофенилэтиламмония (bithiophenylethylammonium)


1. Montalbano Elizabeth. Double-Walled Nanotubes Eyed to Improve Solar Panels. Design News, April 22, 2020: https://www.designnews.com/materials-assembly/double-walled-nanotubes-eyed-improve-solar-panels/1061... 

2. Montalbano Elizabeth. Researchers Develop New Indoor Solar Cells for Smart IoT Devices. Design News, March 26, 2020: https://www.designnews.com/materials-assembly/researchers-develop-new-indoor-solar-cells-smart-iot-d... 

3. Shi Enzheng et al. Two-Dimensional Halide Perovskite Lateral Epitaxial Heterostructures, Nature, April 29, 2020. DOI: 10.1038/s41586–020–2219–7: https://www.nature.com/articles/s4158602022197 

4. Wiles Kayla. Engineers Make a Promising Material Stable Enough for Use in Solar Cells. Phys.org, April 29, 2020: https://phys.org/news/2020-04-material-stable-solar-cells.html


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 9(6683) от 07 мая 2019 г. г.