Солнечные батарейки будущего

Скоро вы сможете полностью зарядить свой мобильный телефон с помощью пластиковой солнечной батареи, построенной с таким расчетом, чтобы поглощать свет и тепло внутри помещения, что сделает эту технологию воистину "беспроводной". Такой футуристический сценарий на несколько лет приблизился к реализации после создания Тедом Сарджентом и коллегами в Университете Торонто пластиковой инфракрасной (ИК) солнечной ячейки. Это открытие позволяет создавать дешевые и эффективные солнечные фотовольтаические элементы, производящие больше энергии в расчете на затраченные средства, чем топливные элементы.

Первые ячейки были созданы при переработке растворов. Полупроводниковые наночастицы сульфида свинца, не более 4 нм диаметром, были суспендированы в полупроводниковом пластике. Контролируя размер нанокристаллов (квантовых точек), солнечный элемент можно настроить на поглощения ИК света с длиной волны 980, 1200 и 1355 нм для превращения его в электрический ток. Низкая стоимость такого пластика в сочетании с "бросовой" ИК - энергией, окружающей нас, может сделать такое устройство доступным источником энергии. Группа Сарджента не первой создает пластиковые солнечные батареи – уже несколько компаний работают над приложением таких элементов. Однако солнечный элемент Сарджента является первым, работающим от излучения в инфракрасной области спектра.

Новая технология борется с одной из основных проблем обычной поликремневой солнечной батареи – высокой стоимостью одного ватта мощности. Текущая стоимость одного ватта солнечной энергии составляет 0.25-1.00 за киловатт-час, тогда как в среднем по США в 2001 году 1 киловатт-час стоил 0.07$. Такая высокая стоимость объясняется дороговизной материалов ячейки и процессов их изготовления. Стоимость ватта можно снизить при удешевлении расходов на создание элемента и повышении его эффективности, что может быть достигнуто при использовании пластиковых солнечных элементов. Полупроводниковые пластики – полимеры, проводящие электрический ток, гораздо дешевле кристаллического кремния. Компания Konarka Technologies, Inc. уже создает гибкие пластиковые солнечные элементы на основе наноструктурированных материалов для военных и бытовых применений, используя процесс как при создании фотопленок. В Пентагоне рассчитывают создавать на основе элементов Konarka палатки, генерирующие ток из солнечного света, что позволит солдатам заряжать мобильные телефоны прямо посреди поля. До настоящего момента такие материалы работали только в видимом диапазоне света с низкой эффективностью, однако сейчас Konarka создает батарею, превращающую в электричество до 8% поглощенного света.

К сожалению, пока эффективность инфракрасных солнечных батарей Сарджента невелика (~0.001%), в то же время ученый акцентирует внимание на том, что они являются лишь прототипом устройств, использующих ИК излучение. Усовершенствование системы, например, с использованием вытянутых кристаллов вместо сферических, может увеличить электронный транспорт. Перспективность ИК батарей состоит в том, что более половины солнечной энергии излучается в ИК диапазоне (700 нм – 1 мм). Расчеты показывают, что при сочетании инфракрасных и видимых батарей можно добиться превращения до 30% солнечной энергии в электричество.

Открытие ИК активности нанокристаллов можно считать везением. Изначально ученые планировали создать печатный ИК фотодетектор для оптических применений, однако однажды они заметили, что устройство генерирует электрический ток даже в отсутствии источника электроэнергии – так родились ИК солнечные батарейки. Проблема солнечных батарей Сарджента в том, что при поглощении одного фотона производится недостаточно много электрон-дырочных пар для реализации фотоэффекта. Поскольку эти нанокристаллы поглощают свет не очень хорошо, необходимо создавать очень толстые экспериментальные ячейки, что в свою очередь препятствует электронному транспорту. Наилучшей шириной запрещенной зоны для поглощения ИК на сегодняшний день является как раз сульфид свинца. Сейчас происходит постепенное снижение толщины слоев устройства, а также подбор полимера, в котором суспендируются наночастицы, для повышения эффективности переноса электронов.

Сарджент предсказывает коммерческое использование своих устройств в течение 3-5 лет, однако неминуемо возникнут сложности с временем жизни устройства, которое должно быть на уровне кремниевых, работающих до 25 лет. К тому же, выходить на рынок можно только с эффективностью устройства не меньше 10%. Однако нельзя не согласиться, что такие инновационные разработки необходимы и привлекают много внимания. Будем надеяться, что скоро такие солнечные батареи окажутся на полках магазинов.

nanometer.ru