Солнечная энергетика весьма стремительно развивается, становясь одной из ведущих отраслей современной энергетики. Постоянно совершенствуются технологии производства солнечных батарей, что делает их более эффективными и доступными. В данной статье мы рассмотрим актуальные технологические изменения в производстве солнечных батарей и проанализируем перспективные инновации ближайших лет. Одним из ключевых направлений развития является поиск новых материалов для повышения эффективности преобразования солнечной энергии. Традиционные кремниевые солнечные панели, доминирующие на рынке, обладают ограниченным коэффициентом полезного действия. Новейшие материалы, такие как перовскит, демонстрируют существенно больший потенциал. Перовскитные солнечные батареи характеризуются высоким коэффициентом полезного действия, способностью генерировать энергию в условиях недостаточной освещенности и более низкой стоимостью производства.

Другая перспектива – органические солнечные батареи, состоящие из полимеров и способные добиваться высокой производительности, имея при этом малый вес и гибкость. Новые материалы для солнечных батарей:

• перовскиты – позволяют повысить эффективность панелей и снизить затраты на производство;
• органические соединения – обеспечивают гибкость и легкость, что позволяет интегрировать батареи в разные поверхности, в частности в окна и фасады зданий;
• тандемные материалы – сочетают разные типы фотогальванических элементов для достижения максимальной эффективности.

Благодаря этим материалам солнечные панели становятся более адаптивными к разным условиям использования, в частности, в городских условиях или в ограниченном пространстве. Перспективы их применения особенно интересны для архитектурных решений, где традиционные кремниевые панели часто не подходят из-за ограничений в размере и внешнем виде.

Инновации в структуре и дизайне солнечных батарей

Другое важное изменение в области солнечных батарей – это усовершенствование структуры панелей, что повышает их эффективность и позволяет использовать новые подходы к их интеграции в разные поверхности. Современные разработчики уделяют внимание многослойным структурам, текстурированным поверхностям и гибким материалам, позволяющим улучшить поглощение света и уменьшить потери. Например, многослойные панели могут иметь разные слои, отвечающие за поглощение различных спектров света, что повышает их общую эффективность. Основные инновационные решения в структуре солнечных батарей:

• многослойные панели – распределение задач между разными слоями позволяет увеличить количество поглощенного света;
• тандемные элементы – сочетание нескольких материалов в одной панели для увеличения общего КПД;
• гибкие панели позволяют интегрировать батареи в различные поверхности, что открывает новые возможности для мобильного применения и строительной индустрии;
• текстурированные поверхности – специальные наноструктуры, которые минимизируют отражение света и улучшают поглощение.

Эти структурные инновации позволяют повысить эффективность солнечных батарей в разных условиях, особенно в городской среде, где часто есть препятствия для доступа прямого солнечного света. Гибкие и текстурированные панели могут стать ключевыми компонентами новых архитектурных решений, что позволит значительно снизить нагрузку на традиционные источники энергии.

Интеграция солнечных батарей в строительные материалы

Еще одной стремительно развивающейся инновацией является интеграция солнечных батарей непосредственно в строительные материалы, такие как кровельная черепица или фасады зданий. Известные производители уже активно работают над созданием солнечной черепицы, которая внешне не отличается от обычной, но способна генерировать электроэнергию для нужд здания. Этот подход позволяет избежать необходимости установки традиционных панелей на крыше или фасаде, что может быть важно для сохранения эстетики здания. Основные преимущества солнечной черепицы и фасадов:

• эстетичность – солнечные элементы становятся частью архитектурного дизайна, не влияя на внешний вид строения;
• эффективное использование площади – вся поверхность крыши или фасада становится источником энергии, что особенно полезно для высотных построек;
• снижение потребности в традиционных источниках энергии – интеграция солнечных батарей в строительные материалы позволяет значительно повысить энергетическую эффективность зданий.

Эти нововведения особенно актуальны для урбанизированных регионов, где площадь для установки традиционных панелей ограничена. Благодаря солнечной черепице и фасадам дома могут стать значительно более энергоэффективными, снижая затраты на электроэнергию и уменьшая углеродный след.

Развитие систем хранения энергии

Кроме повышения эффективности солнечных панелей, важной составляющей развития солнечной энергетики есть системы хранения энергии. Сейчас батареи на основе лития являются основным решением, но ученые активно работают над созданием новых типов аккумуляторов, которые могут сохранять больше энергии при меньшей стоимости. Одно из перспективных направлений – это натрий-ионные и твердотельные батареи, которые могут снизить затраты на хранение энергии. Типы аккумуляторов:

• натрий-ионные батареи – более экологичны и дешевле в производстве, чем литиевые аналоги;
• твердотельные батареи – имеют более высокую энергоемкость и безопасность по сравнению с традиционными аккумуляторами;
• системы быстрой зарядки – уменьшают время необходимое для полного заряда, что важно для домашних и коммерческих потребностей.

Развитие таких систем позволит обеспечить большую стабильность в снабжении электроэнергией от солнечных батарей, даже в пасмурные дни или ночью. Благодаря новым аккумуляторам пользователи получат возможность использовать накопившуюся энергию на постоянной основе, уменьшая зависимость от общей электросети.

Инновации в сфере солнечной энергетики значительно расширяют возможности использования солнечных батарей и делают их более доступными широкому кругу пользователей. Новые материалы, структурные изменения и интеграция батарей в строительные материалы позволяют использовать солнечную энергию с большей эффективностью и в более широком контексте. Развитие систем хранения энергии открывает дополнительные возможности для автономности и снижения нагрузки на электросеть.

Квантовые квазичастицы могут стать основой будущей солнечной энергетики

Группа ученых из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Массачусетского технологического института и Гарвардского университета разработали метод создания новых квазичастиц, которые получили название топологические плекситоны (topological plexcitons). Эти квазичастицы, способные переносить энергию, возникают при наличии нескольких условий и их можно использовать для создания новых видов солнечных батарей, миниатюрных электронно-оптических схем и т.п.

На уровне, где проходит граница между нормальным и квантовым миром, свет и материя взаимодействуют весьма странными способами, обмениваясь энергией между собой. “Когда свет взаимодействует с материей, они обмениваются энергией” – рассказывает Джоэл Юен-Жоу (Joel Yuen-Zhou), ученый из Калифорнийского университета, – “Энергия может передаваться как в одном, так и обратном направлениях. При взаимодействии света с поверхностью металлов возникают так называемые плазмоны, а при взаимодействии света с атомами и молекулами могут возникать экситоны. При соблюдении некоторых условий энергетический обмен происходит столь быстро, что квазичастицы начинают терять свои индивидуальные “черты”, экситоны и плазмоны объединяются в более большую гибридную квазичастицу, которая называется плекситон”.

Ученые из области материаловедения достаточно давно занимаются поисками возможности увеличения эффективности процесса передачи энергии, называемого экситонным переносом энергии (exciton energy transfer, EET). Практическое применение такого метода позволит создать более эффективные солнечные батареи, фотонные схемы, которые могут быть в десятки раз меньше, нежели их кремниевые аналоги. Одним из недостатков EET-метода является то, что он работает только на малых расстояниях, в масштабе до 10 нанометров. Из-за короткого периода времени жизни экситонов и из-за их взаимодействия с окружающими молекулами переносимая ими энергия быстро рассеивается и теряется.

Методом, который позволит преодолеть указанный выше недостаток, является “скрещивание” экситонов и плазмонов на поверхности молекулярного кристалла. Эти квазичастицы, плекситоны, можно получать в больших количествах методом группового возбуждения, и они способны преодолевать расстояния в 20 тысяч нанометров, что сопоставимо с толщиной человеческого волоса.

Ученые предполагают, что плекситоны станут неотъемлемой частью следующего поколения нанофотонных схем, которые, в свою очередь, могут быть использованы где угодно, начиная от солнечных батарей и заканчивая управляемыми химическими катализаторами. Но и с плекситонами не все обстоит так гладко, как хотелось бы, управление направлением их движения в материале пока еще не реализовано должным образом.

Решением проблемы управления движением плекситонов стали новые квазичастицы, названные учеными из Массачусетского технологического института и Гарварда топологическими плекситонами. К этим частицам относятся плекситоны, созданные на поверхности материалов, называемых топологическими изоляторами. “Топологические изоляторы представляют собой материалы с уникальными электрическими свойствами” – рассказывает Джоэл Юен-Жоу, – “Большая часть объема такого материала является диэлектриком, но на краях этот материал ведет себя как идеальный электрический проводник”.

Плекситоны, в отличие от электронов, не являются носителями электрического заряда. Но некоторые особенности поведения этих квазичастиц, как обнаружили ученые, схожи с поведением электрически заряженных частиц. И такую особенность ученые планируют использовать для создания так называемой “плекситоники”, чего-то, схожего с электроникой, в которой информация и энергия переносится при помощи плекситонов.

ИИ нашел лучшие перовскитные материалы для солнечных батарей

Немецкие исследователи использовали искусственный интеллект для поиска новых перовскитных материалов, повышающих эффективность солнечных батарей.

Совместная работа учёных из Института нанотехнологий KIT и Института Гельмгольца в Эрланген-Нюрнберге (HI ERN) привела к открытию материала с практически рекордной эффективностью преобразования солнечной энергии в 26,2%.

«Всего за 150 целенаправленных экспериментов нам удалось достичь результата, который иначе потребовал бы проведения сотен тысяч опытов. Разработанная нами методика открывает новые пути для быстрого и экономичного поиска высокоэффективных материалов в широком спектре приложений», — прокомментировал профессор Кристоф Брабек из HI ERN.

Исходной базой данных для команды из HI ERN послужил массив из приблизительно одного миллиона виртуальных молекул, которые могли быть синтезированы из коммерческих соединений. Из них случайным образом отобрали 13 000 молекул.

Исследователи из KIT использовали квантово-механические расчёты для оценки энергетических уровней, полярности, геометрических характеристик и других параметров этих молекул. Затем из 13 000 молекул они выбрали 101 наиболее отличающуюся по свойствам молекулу, синтезировали их с помощью автоматизированных систем в HI ERN, изготовили идентичные солнечные батареи и оценили их эффективность.

«Высокая степень автоматизации платформы синтеза позволила создать действительно сопоставимые образцы, что сыграло ключевую роль в точности измерений и успехе нашей стратегии», — отметил Брабек, возглавивший работы в HI ERN.

Один из найденных материалов позволил увеличить эффективность стандартного солнечного элемента на два процентных пункта, доведя её до 26,2%. «Наш успех демонстрирует, что значительные временные и ресурсные затраты можно сократить, применяя продуманные стратегии для создания новых энергетических материалов», — заявил Паскаль Фридерих из KIT.

Фридерих использовал полученные данные об эффективности и свойствах молекул для обучения модели искусственного интеллекта, которая предложила синтезировать дополнительные 48 молекул. Её выбор основывался на двух критериях: высокой ожидаемой эффективности и неожиданных характеристиках.

«Когда модель машинного обучения сомневается в предсказании эффективности, есть смысл синтезировать такую молекулу и провести детальное изучение», — объяснил Фридерих, подчеркнув важность второго критерия. «Это может привести к приятным сюрпризам в виде неожиданно высокого уровня эффективности».

Использование молекул, рекомендованных искусственным интеллектом, позволило создать перовскитные солнечные элементы с эффективностью выше средней, включая варианты, превосходящие самые передовые материалы, применяемые сегодня. «Мы не можем утверждать, что нашли идеальную молекулу из миллиона, но определённо приблизились к оптимальной», — заключил Фридерих.

Благодаря использованию искусственного интеллекта, который раскрывает принципы выбора молекул, исследователи получили представление о предложениях ИИ. Так, выяснилось, что некоторые рекомендации были связаны с наличием определённых химических групп, таких как амины, которые ранее игнорировались химиками.

Новый «чудо-материал» для солнечной энергетики

Ученые из Университета ИТМО, Института имени Макса Планка и Белорусского государственного университета обнаружили новый материал для солнечных ячеек, дающих необычно большой для подобных систем «выход» (квантовую эффективность преобразования). При попадании одной частицы света этот показатель составил 2500% (при обычных максимально возможных 100%). О причинах такого эффекта и о его возможном применении в энергетике сообщается на страницах журнала Advanced Materials. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).

В основе солнечной энергетики лежит преобразование солнечного света в электричество. При попадании солнечного луча на фотоэлементы батареи, их поверхность бомбардируется фотонами (квантами света). Фотоны выбивают избыточные электроны, в результате чего возникает электрический ток. Это становится возможным благодаря особому покрытию солнечных батарей, где искусственным образом создается дефицит электронов на одном уровне и избыток — на другом. С разными материалами этот процесс протекает с различной эффективностью, что вынуждает ученых опытным путем искать покрытия с максимальным «выходом».

«Наше новое исследование связано с энергетикой, а именно с превращением энергии света в электричество на солнечных элементах. Для такой конверсии используется множество полупроводниковых систем с различными параметрами. Действуя методом проб и ошибок, мы испытываем различные материалы. Наша задача — найти фотокатализатор, активируемый видимым светом, чтобы его можно было использовать в биологических системах. Кроме того, изготавливаться это вещество должно простым и дешевым методом», — рассказала соавтор статьи Екатерина Скорб, кандидат химических наук, профессор кафедры химии и молекулярной биологии Университета ИТМО, победитель Президентской программы исследовательских проектов.

Ученые работали с одним из таких перспективных материалов — наноструктурированным оксисульфидом висмута. Так как слоистые пленки из этого вещества не меняют свойств при использовании на поверхностях с большой площадью (в отличие от многих аналогичных материалов), их можно использовать на массивных панелях. Кроме того, эти пленки отличаются низкой токсичностью, низкой ценой, их можно «выращивать» на различных веществах. Когда ученые измерили выход энергии с этого вещества стандартными фотоэлектрохимическими методами, они увидели большие показатели: квантовая эффективность преобразования – количество носителей заряда, которое произведет один фотон, – составила до 2500%.

Падающий на солнечный преобразователь фотон должен вызвать рождение экситона — квазичастицы, состоящей из электрона и электронной «дырки», то есть отсутствия данной частицы. Затем, в зависимости от конструкции системы, либо электроны, либо «дырки» создают выходной ток (ток, который создается в результате кажущегося движения «дырки», называется «дырочным»). Так как один фотон может вызвать рождение более одной электронно-дырочной пары, то квантовая эффективность может превышать 100%, при этом не нарушая закон сохранения энергии.

Согласно гипотезе ученых, гигантская эффективность определяется уменьшением сопротивления пленки оксисульфида висмута при освещении, что позволяет носителям заряда из внешней цепи участвовать в окислительно-восстановительных реакциях в растворе. Аномально высокая фотоэлектрохимическая активность, то есть интенсивность преобразования солнечной энергии в химическую и электрическую энергию, а также ширина запрещенной зоны, подходящая для преобразования солнечного света, говорят о том, что фотоэлектроды из оксисульфида висмута перспективны для нового поколения «солнечных ячеек». Ширина запрещенной зоны, то есть диапазон недоступных для электронов энергий в твердом теле, зависит от состава вещества. Фотон с энергией меньше этой ширины не сможет породить экситон. В исследуемом веществе ширина составляет 1,38 эВ, а энергия фотонов видимого света — 2–3 эВ, что позволяет пленкам из оксисульфида висмута эффективно поглощать свет видимого диапазона и преобразовывать его в электрический ток.

«Сейчас мы работаем над тем, как можно использовать такой гигантский выход. Сам эффект настолько интересный, что редакция журнала Advanced Materials поместила изображение из статьи на обложку номера. Мы надеемся, что наше открытие привлечет внимание многих ученых. По значимости оно, возможно, сопоставимо с перовскитными ячейками», — отметила Екатерина Скорб.

Источники: https://www.cta.ru/, https://rscf.ru/, https://generacia.energy/