Технологии для солнечной энергетики

Основные статьи:

• Солнечная энергетика (рынок России)
• Солнечная энергетика (мировой рынок)

2023

Япония разработала технологию передачи солнечной энергии из космоса на Землю

27 мая 2023 года стало известно о том, что Япония разработала технологию передачи солнечной энергии из космоса на Землю. Ожидается, что данная технология в перспективе поможет стране решить ряд энергетических проблем.

Идея заключается в том, чтобы генерировать энергию в космическом пространстве при помощи специальных аппаратов с солнечными панелями и затем передавать её на наземные приёмники посредством микроволн. Благодаря отсутствию атмосферы выработка энергии при рассматриваемом подходе не будет зависеть от погоды, а кольцевая система спутников, опоясывающих Землю, позволит генерировать электричество круглые сутки. По оценкам, фотоэлектрические панели на геостационарной орбите смогут получать в среднем в восемь раз больше света, чем на поверхности Земли. А это даст возможность многократно повысить КПД.

Япония разработала технологию передачи солнечной энергии из космоса на Землю

В марте 2015 года Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) провело успешный эксперимент по передаче 1,8 кВт энергии посредством микроволн на расстояние в 50 м. Следующим шагом станет пересылка энергии на дистанцию от 1 до 5 км по вертикали. В 2025 финансовом году японские исследователи намерены организовать полноценный эксперимент на базе нескольких небольших спутников: они будут использованы для передачи энергии «на сотни километров».

Как отмечает ресурс Nikkei, научную программу возглавляет профессор Наоки Синохара (Naoki Shinohara) из Киотского университета. Проект поддерживается Министерством экономики, торговли и промышленности Японии. Однако основным препятствием для практической реализации инициативы остаётся стоимость. Для выработки около 1 ГВт энергии — эквивалента одного ядерного реактора — с помощью космической солнечной станции потребуются вложения более $7 млрд.^[1]

В России создали фотоэлементы, вырабатывающие электричество от света обычных лампочек

4 мая 2023 года российские исследователи из Университета науки и технологий МИСИС в Москве сообщили о разработке перовскитного солнечного элемента с рекордным КПД при разном сочетании цветов света. Изделие способно заряжать аккумуляторы гаджетов от любой бытовой лампочки.

Солнечные панели на основе перовскитных тонкоплёночных фотоэлементов обеспечивают ряд преимуществ по сравнению с традиционными кремниевыми решениями. В частности, солнечные батареи нового поколения дешевле в производстве и обладают хорошей гибкостью благодаря возможности применения пластиковой подложки. Особенность передовой российской разработки заключается в том, что её оптические свойства позволяют эффективно преобразовывать в электроэнергию свет различных цветовых температур.

Ученые разработали перовскитный элемент, способный заряжать аккумуляторы гаджетов от любой бытовой лампочки

Представленный перовскитный солнечный элемент имеет повышенное содержание брома, который в 2,5 раза эффективнее кремния при разных комбинациях цветов света, то есть, в различных условиях освещения. При «тёплом» свете (уютное желтоватое свечение) разработанный материал даёт максимально возможный (по состоянию на начало мая 2023 года) коэффициент полезного действия (КПД) для перовскитной фотовольтаики — 36,1%.

Предполагается, что новая технология позволит изготавливать гибкие солнечные батареи, способные работать в условиях низкой освещённости. Такие элементы могут интегрироваться, например, в маломощные устройства Интернета вещей — различные датчики, умные приборы с небольшим энергопотреблением и пр.

Перовскит с повышенным содержанием брома крайне эффективно преобразуют цвета различных цветовых температур в электроэнергию при так называемом горячем освещении (1700 К). Бром в данном случае помогает сдвигать край спектра поглощения в область высокоэнергетических фотонов, — отметила Нигина Талбанова, соавтор работы, инженер лаборатории Перспективной солнечной энергетики Университета МИСИС.[2]

Солнечные батареи начали устанавливать между рельсами

В середине марта 2023 года стартап Sun-Ways, базирующийся в швейцарском городе Экюблан, представил новую технологию, позволяющую монтировать солнечные батареи между рельсами железнодорожных путей. Подробнее здесь.

2020: Ученые из Санкт-Петербурга нашли способ удешевить высокоэффективные солнечные батареи

4 февраль 2020 года в ИТМО сообщили, что группа ученых из Санкт-Петербурга предложила и экспериментально опробовала технологию создания высокоэффективных солнечных батарей на основе А3В5 полупроводниковых соединений на кремниевой подложке, которые в будущем могут иметь эффективность в полтора раза больше и при этом более низкую себестоимость, нежели фотовольтаические преобразователи с одним каскадом. Появление данной технологии некогда было предсказано нобелевским лауреатом Жоресом Ивановичем Алферовым. Результаты работы ученых опубликованы в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells.

В ИТМО отметили, что когда в мире сокращаются запасы источников углеводородного топлива и все больше растет обеспокоенность общественности относительно экологии, ученые уделяют пристальное внимание развитию так называемых «зеленых технологий». Одной из самых популярных тем является развитие солнечной энергетики.

Однако более широкому использованию солнечных батарей препятствует ряд проблем. Ставшие традиционными кремниевые солнечные батареи имеют сравнительно небольшую эффективность – около 20-25%. Более эффективные технологии требуют заметно более сложных полупроводниковых соединений, что значительно повышает цену самих солнечных элементов.Догнать и перегнать: Российские ВКС прирастают новыми функциями 8.9 т

Петербургские ученые предложили решение данной проблемы. Исследователи из Университета ИТМО, Академического университета им. Ж.И. Алферова и Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе показали, что A3B5 структуры можно вырастить на дешевой кремниевой подложке, что позволит существенно сократить стоимость многокаскадного солнечного элемента.

«Наша работа посвящена созданию эффективных солнечных элементов на основе А3В5 на кремниевой подложке. Главная сложность синтеза полупроводниковых соединений на кремниевой подложке состоит в том, что полупроводник должен обладать таким же параметром кристаллический решетки, как у кремния. Грубо говоря, атомы этого материала должны находиться на таком же расстоянии друг от друга, что и атомы кремния. К сожалению, полупроводников, отвечающих этому требованию, немного. К примеру, фосфид галлия (GaP). Однако он сам не очень подходит для создания солнечных элементов, так как плохо поглощает солнечный свет. Но вот если взять GaP и добавить азот N, мы получим раствор GaPN. Уже при малых концентрациях N данный материал становится прямозонным и хорошо поглощает свет, при этом может быть интегрирован на кремниевую подложку. При этом кремний является не просто фундаментом, на который синтезируется фотоматериал – кремний сам может выступать одним из фотоактивных слоев солнечного элемента, поглощающим света в ИК-диапазоне. Одним из первых идея совмещения A3B5 структур и кремния была озвучена Жоресом Ивановичем Алферовым», отметил Иван Мухин, сотрудник Университета ИТМО, заведующий лабораторией Академического университета, соавтор исследования

В лаборатории ученым удалось получить верхний слой солнечной батареи, интегрированный на кремниевую подложку. Если таких фотоактивных слоев будет больше, то и эффективность солнечной батареи станет существенно выше, так как каждый слой солнечной батареи будет эффективно поглощать свою часть солнечного спектра.

Пока в лаборатории был создан первый небольшой прототип солнечной батареи на основе элементов А3В5 на кремниевой подложке. На февраль 2020 года перед учеными стоит задача создать солнечный элемент, имеющий в своем составе несколько фотоактивных слоев. Такие солнечные батареи заметно эффективнее поглощают солнечный свет и генерируют электрическую энергию.

«Мы научились растить самый верхний слой. Эта система материалов потенциально может быть использована и для промежуточных слоев. Если добавить мышьяк As, то получится GaPNAs – из него на кремниевой подложке можно вырастить несколько каскадов, работающих в разных частях солнечного спектра. Как показали наши предыдущие работы, потенциально эффективность таких солнечных батарей может превышать 40% при концентрации света, то есть быть в 1,5 раза выше, нежели в современных Si технологиях». отметил Иван Мухин, сотрудник Университета ИТМО, заведующий лабораторией Академического университета, соавтор исследования

2019

В России создали новый полупроводниковый материал для солнечных батарей

Группа российских ученых создала новый полупроводниковый материал без использования свинца, который может быть применен в солнечных батареях для повышения их эффективности. Об этом в 13 мая 2019 года сообщила пресс-служба одного из участников исследования Сколковского института науки и технологий (Сколтеха).

"Сотрудничество исследователей из Сколтеха, Института неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН) и Института проблем химической физики РАН позволило создать перспективные бессвинцовые полупроводниковые материалы для использования в солнечных батареях на основе комплексных галогенидов сурьмы и висмута. Результаты исследования были опубликованы в журнале Journal of Materials Chemistry и анонсированы на его обложке", - говорится в сообщении.

Большой интерес для использования в настоящее время представляют солнечные батареи на основе комплексных галогенидов свинца, то есть соединения свинца с элементами 17-й группы периодической таблицы Менделеева (фтором, хлором, бромом или иодом), с перовскитной структурой - напоминающей структуру минерала перовскита, кристаллы которого имеют кубическую форму. Такие батареи отличаются низкой стоимостью, простотой изготовления и высокой эффективностью преобразования света.

Массовое производство и внедрение перовскитных батарей в настоящее время ограничивается двумя факторами: низкой стабильностью комплексных галогенидов свинца и токсичностью этих соединений. Поэтому во всем мире активно ведется разработка альтернативных бессвинцовых материалов, в частности на основе галогенидов висмута и сурьмы. Однако все ранее полученные образцы имеют низкую эффективность преобразования света. Команда российских ученых доказала, что причиной является неоптимальное строение соединений висмута и сурьмы.

"Мы выяснили, что низкая размерность анионной решетки таких соединений (нулевая, иногда 1D и крайне редко - 2D), не позволяет реализовать беспрепятственный транспорт дырок и электронов, необходимый для эффективной работы солнечных элементов. В результате материалы данного класса могут демонстрировать эффективную работу в латеральных фотодетекторах, но не работают в солнечных элементах," - сказал профессор Центра энергетических исследований Сколтеха Павел Трошин, его слова приводятся в сообщении.

Физики разработали принципиально новый материал для солнечных батарей на основе перовскитоподобного комплексного бромида сурьмы (ASbBr6, где А является органическим положительно заряженным ионом). Солнечные батареи на основе этого материала показали рекордные для галогенидов сурьмы и висмута КПД преобразования света. По словам Трошина, эта работа открывает принципиально новые возможности для развития перовскитной электроники.

В МГУ найден нетоксичный способ получения нанокремния для применения в покрытиях солнечных батарей

13 февраля 2019 года стало известно о том, что ученые МГУ нашли нетоксичный способ производства кремниевых наноматериалов. При производстве кремниевых наноструктур, востребованных в разных областях промышленности, как правило, используется достаточно токсичная плавиковая кислота. Сотрудники МГУ имени М.В. Ломоносова нашли способ, как избежать ее применения. Открытие ученых МГУ может найти применение в промышленном производстве основанных на нанокремнии антиотражающих покрытий для солнечных батарей, оптических сенсоров для обнаружения различных молекул, наноконтейнеров для доставки лекарств. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (РНФ), его результаты опубликованы в международном журнале Frontiers in Chemistry. Подробнее здесь.

Энергия холода: "антисолнечная батарея" работает по ночам

Инженеры создали устройство, которое можно назвать солнечной батареей навыворот: оно вырабатывает ток не когда поглощает фотоны, а когда излучает их. Такой источник энергии мог бы питать различное оборудование по ночам, отдавая в космос тепло, запасённое поверхностью Земли^[3].

Разработка описана в научной статье^[4], опубликованной в журнале Applied Physics Letters группой во главе с Шаньхуэем Фанем (Shanhui Fan) из Стэнфордского университета.

Как известно, нагретые тела испускают излучение. В этом легко убедиться, поднеся руку к горячей батарее (лучше сбоку, чтобы не мешал восходящий поток тёплого воздуха). Если объект не получает из внешней среды столько же тепловой энергии, сколько излучает, он остывает. Чтобы предмет охлаждался эффективнее, нужно предоставить ему свободно обмениваться фотонами с как можно более холодной средой.

Ещё в XX веке физики теоретически рассчитали, а в последние годы экспериментально продемонстрировали эффект отрицательной освещённости. Он заключается в том, что фотодиод может вырабатывать электричество не только поглощая приходящие из внешней среды фотоны (как в обычной солнечной батарее), но и, наоборот, отдавая их и за счёт этого охлаждаясь. На этот процесс тратится энергия, запасённая в устройстве в виде тепла.

Для работы такого устройства нужна холодная среда, в которую фотоны будут уходить, не возвращаясь обратно. И такая среда у нас под рукой, вернее, над головой: это открытый космос.

"Огромная Вселенная является термодинамическим ресурсом, – говорит Фань. – С точки зрения оптоэлектронной физики существует действительно очень красивая симметрия между сбором входящего излучения и сбором исходящего излучения".

Разумеется, если такой излучатель просто запустить на орбиту (и не дать ему нагреваться от Солнца, держа в тени), он быстро высветит всё своё тепло, сравняется по температуре с космическим вакуумом и перестанет вырабатывать энергию.

Однако на Земле можно обеспечить ему тепловой контакт с поверхностью планеты. Как только фотоэлемент станет холоднее окружающих тел, дефицит энергии будет восполнен за счёт теплопроводности. Благодаря этому фотоны будут всё так же исправно улетать в ледяное космическое пространство через атмосферу, которая достаточно прозрачна на длинах волн от 8 до 13  микрометров (узкая полоса в среднем инфракрасном диапазоне). Часть энергии покидающего установку излучения будет преобразовываться в электрическую.

Именно такое устройство и создали авторы новой работы. В качестве материала для фотодиода они выбрали соединение ртути, кадмия и теллура (HgCdTe). Это вещество эффективно излучает именно в нужном диапазоне длин волн. Пройдя сквозь полусферическую линзу из арсенида галлия (GaAs) и окно из феррида бария (BaFe2), фотоны попадают на параболическое зеркало, отправляющее их прямо в небо. Чтобы попасть на диод из внешней среды, излучению требуется пройти такой же путь в обратную сторону. Все эти ухищрения нужны для того, чтобы установка обменивалась фотонами практически исключительно с космосом, а энергию от Земли получала за счёт теплопроводности.

Экспериментальная установка в опытах группы Фаня генерировала 64 нановатта на квадратный метр поверхности. Разумеется, от такой мощности нельзя запитать приборы. Однако, как рассчитали авторы, теоретический предел с учётом влияния атмосферы составляет 4 ватта на квадратный метр. Это гораздо меньше, чем у современных солнечных батарей (100–200 ватт на квадратный метр), но вполне достаточно для питания некоторых устройств.

Чтобы приблизить мощность установки к этой отметке, нужно подобрать для фотодиода материал с более выраженным эффектом отрицательной освещённости. В настоящее время исследователи заняты поисками такого вещества.

По мысли авторов, тот же принцип можно использовать не только для сбора энергии поверхности Земли, нагретой Солнцем, но и для утилизации тепла, выделяющегося при работе различных механизмов.

2018

Создана молекула на основе железа, способная "захватывать" энергию солнечного света

4 декабря 2018 года стало известно, что некоторые фотокатализаторы и солнечные элементы основаны на технологии, которая включает в себя молекулы, содержащие металлы. Их задача в том, чтобы поглощать лучи и использовать их энергию. На декабрь 2018 года металлы в этих конструкциях являются редкими и дорогими — это, например, рутений, осмий и иридий.

На декабрь 2018 года наши результаты показывают, что с помощью усовершенствованного молекулярного дизайна можно заменить редкие металлы железом, которые распространены в земной коре и поэтому дешевы. Кеннет Вернмарк, профессор химии из Лундского университета

Вместе с коллегами он работал над тем, чтобы найти альтернативу для дорогих металлов. Исследователи сосредоточились на железе, которое значительно легче добывать. Ученые создали свои молекулы на основе железа, его потенциал для использования в солнечной энергии был доказан в предыдущих исследованиях.

На декабрь 2018 года в этом исследовании ученые продвинулись еще на один шаг и разработали молекулу на основе железа, способную "захватывать" и использовать энергию солнечного света в течение достаточно длительного времени, чтобы она могла реагировать с другой молекулой.

Исследование опубликовано в журнале Science. По словам исследователей, молекулу можно использовать в следующих видах фотокатализаторов для производства солнечной энергии. Кроме того, результаты открывают другие потенциальные области применения молекул железа, например, в качестве материалов в светодиодах.^[5]

Исследователи приблизили эффективность солнечной батареи к обычной

5 октября 2018 года стало известно, что исследователи приблизили эффективность солнечной батареи к обычной. Солнечная энергия считается наиболее устойчивым вариантом замены ископаемого топлива, но технологии преобразования ее в электричество должны быть очень эффективными и дешевыми. Ученые из отдела энергетических материалов Окинавского института науки и технологий считают, что они нашли формулу для изготовления недорогих высокоэффективных солнечных батарей.

Для этого профессор Яобинг Ци, руководитель исследования, выделил три условия, которые приведут технологию к введению на рынок и успешной коммерциализации. По его словам, скорость преобразования солнечного света в электричество должна быть высокой, недорогой, а также долговечной.

На октябрь 2018 года большинство коммерческих фотоэлементов, которые используются в батареях, сделаны из кристаллического кремния. Он имеет относительно низкую эффективность — около 22%. В конечном итоге это приводит к тому, что продукт оказывается для потребителя дорогим, а его единственная мотивация для покупки — это забота о природе. Японские ученые предлагают решить проблему с помощью перовскита.

Исследования перовскитных клеток очень перспективны. По данным на 2018 год, всего за девять лет их эффективность выросла с 3,8% до 23,3%. Другим технологиям потребовалось более 30 лет исследований, чтобы достичь такого же уровня. Яобинг Ци, руководитель исследования

Японский метод обработки минерала же увеличивает его эффективность до кристаллических кремниевых элементов. Чтобы сделать это, исследователи покрыли прозрачные проводящие подложки пленками перовскита, которые очень эффективно поглощают солнечный свет. Также они покрыли субстрат слоем трииодида калия с небольшим количеством ионов хлора и газа метиламина — это позволило им сделать равномерные панели из примерно равного количества фотоэлементов. При разработке метода ученые поняли, что создание перовскитового слоя толщиной 1 мкм значительно увеличивает срок службы фотоэлемента — он не изменился после 800 часов работы.^[6]

2017

Российские ученые нашли способ повышения эффективности солнечных батарей

В 2017 году российские и швейцарские исследователи изучили влияние на структуру и производительность солнечных батарей изменения соотношения компонентов, из которых формируется светопоглощающий слой перовскитной солнечной ячейки. Результаты работы опубликованы^[7] в журнале Journal of Physical Chemistry C^[8].

Впервые органо-неорганические перовскиты были разработали пять лет назад, но по КПД они уже обогнали наиболее распространенные и более дорогие кремниевые солнечные элементы. В структуре перовскитов находятся кристаллические соединения, в котором располагаются молекулы растворителя исходных компонентов. Растворенные компоненты, выпадая из раствора, образуют пленку, на которой растут кристаллы перовскита. Ученые выделили и описали три промежуточных соединения, которые являются кристаллосольватами одного из двух растворителей, наиболее часто используемых при создании перовскитных солнечных батарей. Для двух соединений ученые впервые установили кристаллическую структуру.

«Мы выяснили, что ключевым фактором, определяющим функциональные свойства перовскитного слоя, является образование промежуточных соединений, поскольку кристаллиты перовскита наследуют форму промежуточных соединений. Это, в свою очередь, влияет на морфологию пленки и эффективность солнечных батарей. Это особенно важно при получении тонких пленок перовскита, поскольку игольчатая или нитевидная форма кристаллов приведет к тому, что образованная пленка будет несплошной, а это значительно снизит КПД такой солнечной ячейки», — отметил руководитель исследования Алексей Тарасов.

Дополнительно авторы исследовали термическую стабильность полученных соединений и с помощью квантово-химического моделирования рассчитали энергию их образования. Также авторы выяснили, что кристаллическая структура промежуточного соединения задает форму образующихся кристаллов перовскита, что определяет структуру светопоглощающего слоя. Эта структура, в свою очередь, влияет на производительность получаемой солнечной батареи.

Исследование было проведено научными сотрудниками МГУ в сотрудничестве с учеными Курчатовского центра синхротронного излучения, Российского университета дружбы народов, СПбГУ и Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии.

В Швеции изобрели умные стекла для окон

Ученые из Гетеборгского университета разработали специальное покрытие для стекол, способное «собирать» солнечную энергию. В основе покрытия лежат нанотехнологии. Специальные антенны из плазмонов способны улавливать и накапливать энергию из окружающей среды. Поверхность, покрытая таким веществом, нагревается, при этом стекло физических характеристик не меняет: остается прозрачным, не искажает цвета и сохраняет преломляющие свойства^[9].

Ученые давно исследуют данную область и ищут применение разработке. В современном мире такая технология актуальна, так как теплопотери домов из-за окон составляют примерно 20%. Ученые считают, что их изобретение сможет также применяться для теплоизоляции различных объектов.

Британские ученые изобрели стеклянные кирпичи с солнечными батареям

Группа ученых Эксетерского университета в Англии разработала стеновые блоки из стекла со встроенными солнечными батареями. Об этом пишет архитектурный портал Archdaily. Блоки можно использовать при строительстве домов вместо обычных кирпичей.

Стройматериал назвали «Solar Squared» («Солнечная квадратная плитка»). Как показали тесты в лаборатории университета, помимо генерации электроэнергии блоки обладают и рядом других полезных свойств. В частности, построенные таким образом стены хорошо пропускают в здание солнечный свет и сохраняют тепло в помещениях.

Для продвижения продукта ученые создали инновационную компанию The Build Solar. В настоящее время ведется поиск инвесторов. Вывод «солнечной плитки» на рынок предварительно запланирован на 2018 год.

Солнечные панели из «умных» стекол

Группа ученых Пристонского университета разработала принципиально новые прозрачные солнечные батареи на базе «умных стекол». Соответствующие исследования проводились в университетском Центре Эндлингера по энергетике и защите окружающей среды^[10].

Среди основных преимуществ новых прозрачных панелей выделяют то, что при выработке энергии они не потребуют дополнительного электропитания. К тому же, такие покрытия можно наклеивать практически на любые окна с внутренней стороны. «Существующие технологии «умных» стекол требуют электроэнергии, и их сложно устанавливать в зданиях, где это не было предусмотрено заранее», — сказано в публикации. Потому новую технологию можно считать прорывом.

При выработке энергии инновационные панели уменьшают свою прозрачность, поглощая часть света так называемой ближней ультрафиолетовой части спектра. Управлять этим процессом владельцы помещений с наклеенными на окна «умными» стеклами смогут с помощью смартфона. Тем самым, они смогут выбирать, что им нужно в конкретный момент: свет или электричество. «Это повысит энергоэффективность, сделает пребывание комфортнее и будет охранять личную жизнь», — отметил один из авторов изобретения Лу Николас Дэви.

РКС представила Систему электрической защиты солнечных батарей

В начале 2017 года Холдинг «Российские космические системы» (РКС, входит в состав Госкорпорации «Роскосмос») завершил создание модернизированной системы электрической защиты для солнечных батарей отечественного производства. Ее применение позволит существенно продлить срок работы источников питания космических аппаратов и сделает российские солнечные батареи одними из самых энергоэффективных в мире. Подробнее здесь.

Примечания