5 neįprastos ateities saulės baterijos

Šiandien silicio saulės baterijos - toli nuo finalo, siekiant pažaboti saulės šviesos energiją ir ją paversti naudinga elektros energija. Daugybę darbų vis dar atlieka mokslininkai, o šiame straipsnyje apžvelgsime penkis neįprastus sprendimus, kuriuos kuria kai kurie šiuolaikiniai tyrinėtojai.

Pastatyta Amerikos nacionalinė atsinaujinančios energijos laboratorija (NREL) saulės baterija, kurios pagrindas yra puslaidininkių kristalai, kurių dydžiai neviršija kelių nanometrų, tai yra vadinamieji kvantiniai taškai. Imtis jau yra čempionė pagal išorinį ir vidinį kvantinio efektyvumo rodiklius, kurie atitinkamai sudarė 114% ir 130%.

Šios charakteristikos parodo sukuriamų elektronų skylių porų skaičiaus santykį su fotonų skaičiumi ant mėginio (išorinis kvantinis efektyvumas) ir generuotų elektronų skaičiaus santykis su absorbuotų fotonų skaičiumi (vidinis kvantinis efektyvumas) tam tikru dažniu.

Išorinis kvantinis efektyvumas yra mažesnis nei vidinis, nes ne visi absorbuoti fotonai dalyvauja generuojant, o kai kurie fotonų, esančių skydelyje, tiesiog atsispindi.

Ėminį sudaro šios dalys: stiklas antirefleksinėje dangoje, skaidraus laidininko sluoksnis, tada nanostruktūrizuoti cinko oksido sluoksniai ir kvantiniai taškai švino selenido, tada etandititolis ir hidrazinas, ir plonas aukso sluoksnis kaip viršutinis elektrodas.

Bendras tokios kameros efektyvumas yra apie 4,5%, tačiau to pakanka eksperimentiškai gautam gana aukštam šio medžiagų derinio kvantiniam efektyvumui, ir tai reiškia, kad reikia optimizuoti ir tobulinti.

Ne vieno saulės elemento išorinis kvantinis efektyvumas buvo didesnis nei 100%, tuo tarpu šios NREL raidos unikalumas yra tas, kad kiekvienas ant akumuliatoriaus krintantis fotonas išvestyje sukuria daugiau nei vieną elektronų skylių porą.

Sėkmės priežastis buvo daugkartinė eksitonų (MEG) generacija - efektas, kuris pirmiausia buvo panaudotas kuriant visavertę saulės bateriją, galinčią generuoti elektrą. Poveikio intensyvumas yra susijęs su medžiagos parametrais, su juostos tarpu tarp puslaidininkio, taip pat su krintančio fotono energija.

Krištolo dydis yra labai svarbus, nes tik mažame tūryje kvantiniai taškai riboja krūvio nešėjus ir gali kaupti perteklinę energiją, kitaip ši energija tiesiog prarandama šilumos pavidalu.

Laboratorija mano, kad elementai, pagrįsti MEG efektu, yra labai verti kandidatai į naujos kartos saulės baterijų titulą.

Kitas neįprastas požiūris į saulės elementų kūrimą buvo pasiūlytas Prashant Kamat iš Notre Dame universiteto. Jo grupė sukūrė dažus, pagamintus iš kvantinių titano dioksido taškų, padengtų kadmio sulfidu ir kadmio selenidu vandens-alkoholio mišinio pavidalu.

Pasta užtepta ant stiklinės plokštės su laidžiu sluoksniu, po to išdegta, ir rezultatas buvo fotovoltinė baterija. Substrato, paversto fotoelektriniu skydeliu, reikia tik viršuje esančio elektrodo, ir elektrinę srovę galima gauti įdedant į saulę.

Mokslininkai mano, kad ateityje bus įmanoma sukurti dažus automobiliams ir namams, ir tokiu būdu, tarkime, namo stogą arba automobilio kėbulą, dažytą šiais specialiais dažais, paversti saulės baterijomis. Tai yra pagrindinis tyrėjų tikslas.

Nors efektyvumas nėra didelis, tik 1%, tai yra 15 kartų mažiau nei įprastų silicio plokščių, saulės dažai gali būti gaminami dideliais kiekiais ir labai nebrangiai.Taigi, energijos poreikiai ateityje gali būti patenkinti, sako „Kamat“ grupės chemikai, vadinantys savo atžalas „Tikintis saulės spinduliais“, kuris verčiamas kaip „saulės tikimybė“.

Kitas neįprastas saulės energijos konversijos metodas pasiūlymas Masačusetso technologijos institute. Andreas Mershin ir kolegos sukūrė eksperimentinės baterijos, kurių pagrindą sudaro biologinių molekulių, galinčių „surinkti“ šviesą, kompleksas.

PS-1 fotosistemą, pasiskolintą iš cianobakterio „Thermosynechococcus elongatus“, pasiūlė molekulinis biologas Shuguanas Zhang ir keli jo bendraminčiai 8 metai prieš dabartinių eksperimentų pradžią Andreasas Mershinas.

Sistemų efektyvumas pasirodė tik apie 0,1%, tačiau tai jau yra svarbus žingsnis į masinį įvedimą į kasdienį gyvenimą, nes tokių prietaisų kūrimo išlaidos yra ypač mažos, ir apskritai biologiniai savininkai gali susikurti savo baterijas naudodami chemikalų rinkinį ir šūsnį šviežiai nupjautos žolės. . Tuo tarpu keletas patobulinimų padidins efektyvumą iki 1-2%, t. iki komerciškai perspektyvaus lygio.

Ankstesnės panašios ląstelės su fotosistemomis pagrįstai galėjo veikti tik esant lazerio šviesai, koncentruotai griežtai ląstelei, o tada tik siaurame bangų diapazone. Be to, reikėjo brangių chemikalų ir laboratorinių sąlygų.

Kita problema buvo ta, kad iš augalų išgauti molekuliniai kompleksai negalėjo ilgai egzistuoti. Dabar instituto komanda sukūrė paviršiaus aktyvių peptidų rinkinį, kuris apgaubia sistemą ir ilgai ją saugo.

Padidinus šviesos surinkimo efektyvumą, Masačusetso technologijos instituto komanda išsprendė fotosistemų apsaugos nuo ultravioletinės spinduliuotės, kuri anksčiau sugadino fotosistemą, problemą.

Dabar PS-1 buvo pasėtas ne ant lygaus pagrindo, bet ant paviršiaus, kurio efektyvus plotas labai didelis, tai buvo 3,8 μm storio titano dioksido vamzdeliai, kurių poros buvo 60 nm, ir tankūs cinko oksido strypai, kurių aukštis buvo keli mikrometrai ir keli šimtai nanometrų skersmens. .

Šie fotoanodo variantai leido padidinti chlorofilo molekulių skaičių esant šviesai ir apsaugojo PS-1 kompleksus nuo ultravioletinių spindulių, nes abi medžiagos jas gerai sugeria. Be to, titano vamzdeliai ir cinko lazdelės taip pat atlieka karkaso vaidmenį ir veikia kaip elektronų nešiotojai, o PS-1 kaupia šviesą, asimiliuoja ją ir atskiria krūvius, kaip nutinka gyvose ląstelėse.

Saulės paveiktoje ląstelėje buvo 0,5 volto įtampa, kurios savitoji galia buvo 81 mikroW kvadratiniame centimetre, o foto srovės tankis buvo 362 μA viename kvadratiniame centimetre, o tai yra 10 kartų daugiau nei bet kurioje kitoje anksčiau žinomoje biovoltinėje sistemoje, paremtoje natūraliomis fotosistemomis.

Dabar pakalbėkime apie organinių polimerų pagrindu pagamintos saulės baterijos. Jei jie įsteigs masinę gamybą, jie bus daug pigesni nei konkurentai silicio, nepaisant to, kad jie jau pasiekė 10,9% efektyvumą. Saulės baterija tandeme, kurį sukūrė mokslininkai iš Kalifornijos universiteto Los Andžele (UCLA), turi kelis sluoksnius, kurių kiekvienas veikia su savo spektro dalimi.

Svarbiausias dalykas yra sėkmingas skirtingų medžiagų, kurios netrukdo viena kitai, derinimas. Dėl šios priežasties autoriai specialiai sukūrė konjuguotus polimerus su mažu juostų tarpu.

2011 m. Mokslininkams pavyko gauti tokią vieno sluoksnio polimerinę ląstelę, kurios efektyvumas buvo 6%, o tandemo elemento efektyvumas buvo 8,62%. Dirbdami toliau, tyrėjai ketino išplėsti darbinio spektro diapazoną infraraudonųjų spindulių srityje ir jiems reikėjo pridėti Japonijos bendrovės „Sumitomo Chemical“ polimerą, kurio dėka jiems pavyko pasiekti 10,9% efektyvumą.

Šį sėkmingiausią dizainą sudaro priekinė ląstelė, pagaminta iš medžiagos su dideliu juostos tarpu, ir užpakalinė ląstelė su siauros juostos tarpu.Plėtros autoriai tvirtina, kad tokio keitiklio sukūrimas, įskaitant medžiagų kainą, nėra labai brangus, be to, pati technologija yra suderinama su šiandien gaminamomis plonasluoksnėmis saulės baterijomis.

Panašu, kad per artimiausius kelerius metus saulės baterijos, kurių pagrindą sudaro organiniai polimerai, taps komerciškai perspektyvios, nes kūrėjai planuoja padidinti jų efektyvumą iki 15%, tai yra iki silicio lygio.

Apibendrinant apžvalgą super plonos 1,9 mikrono storio saulės baterijoskuri yra 10 kartų plonesnė už bet kurias kitas anksčiau sukurtas plonasluoksnes baterijas. Kartu Japonijos ir Austrijos mokslininkai sukūrė ploną organinę neįprastai lanksčią saulės plokštę. Demonstravimo metu produktas buvo apvyniotas aplink 70 μm skersmens žmogaus plaukus.

Baterijai gaminti buvo naudojamos tradicinės medžiagos, tačiau substratas buvo pagamintas iš 1,4 mikrono storio polietileno tereftalato. Naudojant 4,2% efektyvumą, savitoji naujos saulės baterijos galia buvo 10 vatų grame, o tai paprastai yra 1000 kartų didesnė nei daugiakristalinių silicio akumuliatorių atitinkamas rodiklis.

Šiuo atžvilgiu atrodo perspektyvus vystyti tokias sritis kaip „protinga tekstilė“ ir „protinga oda“, kur, be saulės baterijų, elektroninės mikroschemos, sukurtos naudojant panašią technologiją, gali būti vienodai plonos ir lanksčios.

Taip pat žiūrėkite:5 neįprasti vėjo generatorių projektai