Interfax-Russia.ru — Красноярские ученые увеличили поглощение света солнечными батареями на 10% за счет наночастиц. Поэтому при изготовлении прибора можно полностью отказаться от металлических контактов и минимизировать потери в конструкции.
Ученые Федерального исследовательского центра "Красноярский научный центр СО РАН" (ФИЦ КНЦ) и Сибирского федерального университета (СФУ) модернизировали конструкцию солнечных батарей, сделав их эффективнее и дешевле в производстве.
Как пояснил научный сотрудник Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН Рашид Бикбаев, в основе работы солнечного элемента лежит принцип таммовского плазмон-поляритона — сгустка света, "запертого" между фоточувствительным слоем и многослойным отражающим зеркалом, который формирует дополнительную полосу поглощения света в фоточувствительном слое.
"Полученные ранее на его основе солнечные элементы отличались высоким поглощением света, часть которого, однако, не преобразовывалась в электрическую энергию. Мы предложили новую модель органического солнечного элемента, в которой фоточувствительный слой выполнял одновременно две роли: поглотителя и зеркала для возбуждения таммовского плазмон-поляритона", — сообщил специалист.
Как пояснили в КНЦ, в новой конструкции фоточувствительного слоя специалисты использовали наночастицы — сплюснутые или вытянутые по отношению к вектору падающего электрического поля. Это позволило увеличить поглощение света, попадающего на фоточувствительный слой, почти на 10%.
"Привлекательность такого устройства заключается в том, что можно полностью отказаться от использования металлических контактов и минимизировать потери в конструкции", — добавил Бикбаев.
Исследование выполнено при поддержке гранта президента РФ для молодых ученых-кандидатов наук. Результаты опубликованы в научном журнале Photonics.
В целом, как отметили в Красноярском научном центре, фотоника является одним из наиболее перспективных направлений альтернативной энергетики.
"Мы знаем, что возобновляемые источники энергии строятся на солнечном свете. На 1 квадратный метр земной поверхности от солнца приходит примерно 10 киловатт энергии. Растения не жадны в потреблении солнечной энергии, они забирают энергию в красной и синей областях света. Большое количество энергии излучается обратно землей в космос. Люди все больше используют солнечные батареи в самых разных сферах, даже размещают на дачных участках. Поэтому стоит задача повысить их эффективность", — рассказал заведующий лабораторией фотоники молекулярных систем Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН Иван Тимофеев.
Благодаря фотонике у человечества появились беспилотный транспорт, энергосберегающее освещение, медицинский лазер и другое.
"В последнее время по странам мира идет движение в сторону технологий фотоники. В 2018 году в отчете Международного общества оптики и фотоники было сказано, что свыше 10% мировой экономики — это продукция, связанная с фотоникой. Автомобильная промышленность немыслима без световой сигнализации, без восприятия световой информации. Во многом благодаря этим технологиям появились беспилотные "умные" автомобили. Сканеры, лазеры во всех сферах экономики, обработка информации, сортировка и переработка мусора, медицина и экология. Все это связано с фотоникой", — пояснил Тимофеев.
Для развития таких технологий нужны новые фотонные структуры и оптические материалы. Именно их разработкой и занимается лаборатория фотоники молекулярных систем Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.
"Фотонными структурами называют объекты, принимающие световые волны. К сожалению, часто такие структуры имеют микронный размер, их невозможно разглядеть с помощью световых волн, для этого нужны устройства на более жестких видах излучения - например, электронный микроскоп", — пояснил Тимофеев.
Вместе с тем, по словам ученого, световые волны и пучки важны не только тем, что могут распространяться и переносить информацию, но еще и тем, что могут лежать в основе датчиков.
"А также на их основе можно получать лазеры микронного размера - источники света для фотонных интегральных схем будущего. Такие источники называются когерентными, потому что колебания света в них согласованы между собой с высокой точностью", — сказал он.
В целом же, как отметил Тимофеев, основные научные результаты лаборатории связаны со световыми волнами, которые появляются и распространяются на поверхности оптических стекол и новых оптических материалов.
"Такие волны могут нести полезный сигнал, даже когда поверхность повреждена. Волны огибают царапину и продолжают двигаться в заданном направлении. Этим занимается топологическая фотоника. Недавно в нашей лаборатории эти волны впервые были описаны на языке клеточных автоматов", — отметил заведующий лабораторией.
Тем временем ученые Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) разработали конструкцию фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), которая позволяет сделать солнечные панели более эффективными при повышенной температуре. Они состоят из кремниевых элементов, включенных последовательно-параллельно для генерации напряжения 12-24 вольт, величина тока зависит от интенсивности солнечного излучения, приходящего на преобразователь, а его пиковая мощность — от температуры окружающей среды.
Специалистам вуза удалось повысить КПД солнечных ФЭП до 10-12%, тогда как до сих пор температура выше плюс 20 градусов Цельсия приводила к снижению КПД батарей на 0,4-0,5% на каждый градус повышения температуры.
"Нам удалось реализовать способ охлаждения ФЭП, использующий комбинацию ребер из алюминия и материала с фазовым переходом (парафиновый воск), что позволяет повысить КПД в условиях экваториальных стран. Также реализована комбинация ультразвукового увлажнителя и ребер из алюминия для эффективного охлаждения панели ФЭП для жарких стран", — сообщил один из авторов проекта, аспирант кафедры атомных станций и возобновляемых источников энергии УрФУ Агьекум Эфраим Бонах.
Разработку также можно использовать в качестве экономичного устройства на возобновляемых источниках энергии и объединять с другими видами возобновляемых источников энергии.
"Работа имеет крайне важное прикладное значение для всех экваториальных стран и для южных районов России, так как повышение КПД – это общее сокращение издержек, снижение срока окупаемости", — отметил профессор кафедры атомных станций и возобновляемых источников энергии УрФУ Владимир Велькин.
В ближайшее время ученые планируют упростить конструкции и снизить затраты на изготовление ФЭП. Кроме того, специалисты подготовят предложения для массового применения преобразователей.
