Солнечные батареи вживляются в ткань для создания носимых электронных устройств

Сайт о нанотехнологиях #1 в России

Электронная ткань и перспективы ее использования в будущем

Анонс этой статьи будет предельно кратким: в этой статье пойдет разговор об электронной ткани, сегодняшних успехах в ее получении и перспективах ее использования в будущем.

Не так давно мы вошли в тот период развития технологий, когда электронные компоненты настолько миниатюризировались, что создание крохотных гаджетов перестало быть проблемой для инженеров.

Проблемой стали сами люди, потому что управлять, да и просто удерживать в руке устройство меньше, чем среднестатистический сотовый телефон неудобно чисто анатомически. И всё же, вектор на увеличение компактности электронных устройств обещает нам открытие новых горизонтов.

А развитие нанотехнологий стало, фактически, краеугольным камнем, на котором будут основаны все прорывные изобретения и технологии: создание новых, «анатомических» интерфейсов для взаимодействия человека с электронными устройствами, снижение энергопотребления и веса, внедрение электроники в традиционные «аналоговые» сферы.

Например, гибкие экраны и «электронная ткань». В последние годы периодически появляются новости от разных компаний, рапортующих о создании прототипов гибких экранов. Судя по всему, мы достаточно близки к появлению первых коммерческих образцов по-настоящему носимой электроники. Однако сам принцип носимости подразумевает интеграцию цифровых технологий прямо в одежду. И идея создания «умной» одежды не то что бы давно витает в воздухе, а работы по ней тоже ведутся в различных странах. Однако практическая реализация этой идеи упирается в целый ряд пока непреодолённых технологических задач, из которых одной из важнейших является обеспечение компактности и высокой ёмкости источника энергии.

Одним из решений может стать создание ткани, которая самостоятельно генерирует и хранит запас электричества.

Успехи науки

Рис. 1.

Недавно представители Китайской Академии Наук (кто бы мог подумать) и Вуханьской Национальной Лаборатории Оптоэлектроники (Wuhan National Laboratory for Optoelectronics) сообщили о том, что

им удалось вырастить образец ткани из наночастиц диоксида свинца на подложке из углерода путём компоновки пустотелых нанотрубок диоксида свинца в переплетённую структуру.

Материал нанотрубок обладает свойствами широкополосного полупроводника с высокой квантовой эффективностью в ультрафиолетовом диапазоне. Это делает его хорошим материалом как для электродов в элементах питания, так и для улавливания света.

Команда китайских учёных объединила в одном устройстве «сотканные» из диоксида кремния ультрафиолетовый фотодетектор и литий-ионную батарею.

Их целью было создать не требующий внешнего источника питания гибкий фотодетектор, которому можно придать любую форму. Получившееся устройство по своей производительности сравнимо с «традиционными» и, что гораздо важнее, не теряет своей эффективности даже в свёрнутом виде.

Рис. 2.

По словам создателей, изначально это было вызовом: изготовить подобною ткань большой площади с сохранением именно тканной структуры. И теперь они считают, что задача создания правильно организованной структуры из выращенного плотного слоя нанотрубок на углеродной подложке может быть надёжно решена.

Исследователи выразили радость от того, что получившееся устройство «является очень простой системой, обладающей преимуществами регулируемого размера и портативности».

Представитель Университета Тунцзи (Tonji University), занимающийся исследованиями материалов для электронной и химической промышленностей, отметил низкую стоимость изготовления этого прототипа гибкого электронного устройства, обладающего «уникальным потенциалом при создании гибких, эластичных и носимых электронных систем». Также учёный подчеркнул, что основной проблемой в разработке подобных устройств является обеспечение достаточной механической прочности и износоустойчивости.

Зачем это нужно?

Как видим, китайцы поставили перед собой задачу фактически превратить одежду в солнечную батарею. Причём в батарею, направленную сразу во все стороны, условно не имеющую веса (мы ведь всё равно носим одежду), гораздо менее хрупкую по сравнению с традиционными кремниевыми батареями, да ещё и аккумулирующую в себе электричество. Без сомнения, подобная одежда будет полезна всем и каждому.

Интеграция мобильного компьютера с GSM-модулем в куртку из электрогенерирующей ткани позволит, при должном освещении, вообще забыть о такой вещи, как зарядное устройство. Сегодняшние айпады и айфоны станут таким же нелепым и громоздким анахронизмом, как сегодня выглядят будки общественных таксофонов на улице.

Заглянем немного дальше: с дальнейшей миниатюризацией электроники станет возможной массовая коммерческая имплантация различных устройств. И тут вопрос электропитания встанет в другой плоскости: не как долго, а как? И применение электрогенерирующей одежды для питания имплантов на первых порах может стать единственным способом.

Рис. 3.

Куда счастливее по сравнению с мирными гражданами будут военные: сегодня перспективные комплексы индивидуального оснащения солдат подразумевают ношение на себе до 6 кг аккумуляторов для носимого компьютера, радиостанции, прибора ночного видения, лазерного целеуказателя и фонаря. При этом срок работы всей этой красоты от аккумуляторов также весьма невелик. Представьте, насколько расширятся возможности военных, которым удастся одеть каждого солдата в «самозаряжающуюся» форму и оснастить гибким, устойчивым к повреждениям компьютером, передающим информацию о местонахождении бойца его непосредственному командиру.

Операторы беспилотников смогут в реальном времени видеть расположение своих, что позволит существенно повысить их эффективность и снизить потери от дружественного огня. Вот оно, перенесение принципа сегодняшних стратегических игрушек в реальную жизнь, привет любителям Starcraft и Command & Conquer.

В более отдалённом будущем одежда, изготовленная из оптоволокна, позволит реализовать принцип оптического камуфляжа, когда человек словно становится прозрачным. Помните, как в прекрасном аниме Ghost in the Shell (Призрак в доспехах) комбинезон главной героини словно становился стеклянным, делая её почти невидимой? Да что там аниме, все ведь смотрели «Хищника» с незабвенным Шварценеггером, какое впечатление произвёл «прозрачный» камуфляж инопланетянина. Самое интересное, что сейчас уже ведутся научно-исследовательские работы и есть первые практические результаты по созданию подобных технологий.

Рис. 4.

Солнечные батареи в виде самоклеящейся пленки

«Солнечную батарею можно будет наклеить на что угодно, от портативных источников питания для гаджетов, до умной одежды и даже автономных скафандров космонавтов», — сказано в статье Сяолинь Чжен, опубликованной в журнале Scientific Reports.

Объединение тонкопленочной электроники с новыми солнечными батареями откроет возможности для создания новых технических устройств, и это только первый этап в развитии данной технологии. Технологию «оторви и наклей» можно будет использовать совершенно разносторонне, уверена руководитель коллектива физиков Стэнфордского университета Сяолинь Чжен.

Чжен с единомышленниками разработали и воспроизвели настоящие солнечные батареи-наклейки, ставшие результатом экспериментов с пленками оксида кремния и никеля нанометровой толщины. Ученые поясняют, что солнечные батареи традиционно могут нормально работать лишь на очень-очень ровных поверхностях, на особых подложках, например — из стекла или кремния.

Проблема в том, что если использовать другие подложки, то они не подойдут по причине плохой плоскостности поверхности, низкой устойчивости к воздействию высоких температур и к химической обработке. Такая традиция очень ограничивает сферы применения солнечных источников питания с одновременным ростом их себестоимости.

Разработчикам удалось избавиться от этих недостатков в своих тонкопленочных батареях благодаря оригинальному подходу. Главной идеей стало отделить готовую батарею от кремниевой пластины, чтобы затем можно было бы использовать любую подложку, независимо от ее плоскостности и жесткости.

На решение ученых натолкнула технология получения графена его первооткрывателями Геймом и Новоселовым. По аналогичной методике Сяолинь Чжен с коллегами нанесли тончайшую пленку никеля (300 нм) на пластинку из смеси оксида кремния и чистого кремния методом электронно-лучевого испарения.

Следующим шагом на полученную двухслойную структуру нанесли активную часть тонкопленочной солнечной батареи и защитный полимерный слой для предотвращения контакта активной части с водой. Затем к одному краю приклеили термоскотч, и поместили пластинку на водяную баню при комнатной температуре.

Спустя несколько минут ученые отделили краешек скотча, чтобы молекулы воды проникли между никелем и пластинкой, затем поднимая полоску термоскотча, физики полностью отделили всю пленку полученной солнечной батареи от кремниевой пластины. На этапе полного отделения пленки ученые предварительно нагрели всю структуру до 90 градусов для ослабления адгезии.

Читайте также  Какой прибор измеряет сопротивление в электрической цепи?

После отделения от пластины, пленка может быть наклеена на целевую поверхность при помощи клея, а сама пластина может быть использована вновь для формирования следующей батареи-наклейки.

Важно отметить, что полученные пленочные солнечные батареи показывают практически одинаковую эффективность до и после отделения пленки от подложки. Измерения показали, что ток и напряжение до и после процесса переклейки на лист из нержавеющей стали или на натриево-кальциевое стекло неразличимы, подразумевается, что никаких повреждений не возникает во время переноса наклейки на любую поверхность.

Средние измерения показателей производительности более 20 солнечных батарей площадью 0,05 кв.см и 0,28 кв.см соответственно, показали КПД = 7,4 ± 0,5% и 5,2 ± 0,1% до процесса переклейки и КПД = 7,6 ± 0,5% и п = 5,3 ± 0,1% после переклейки. Разница эффективности у элементов различной площади обусловлена большим сопротивлением последовательно соединенных батарей.

Тем не менее, более важным является то, что обе солнечные батареи имеют почти идентичные показатели эффективности до и после процесса переклейки, а отклонение составляет всего 5%, что находится в пределах погрешности измерений. Эти результаты иллюстрируют несколько ключевых преимуществ данной технологии: универсальность в выборе подложки, высокое качество оригинального исполнения, простота и масштабируемость технологического процесса, а также дополнительная экономия на многоразовом использовании оригинальных кремниевых подложек.

Чжен утверждает, что подобные пленочные солнечные батареи можно будет наклеивать на любые поверхности: на стекло, на ткань, на бумагу, или на любой другой нетипичный для фотоэлектроники материал, даже на стены домов. И в каждом случае батарея будет генерировать такое же количество электричества, что и традиционные солнечные батареи предшествующей технологии, сохраняя эффективность 7,5%.

Плюс ко всему, батарея-наклейка легко гнется, и это не приводит ни к поломкам, ни к снижению эффективности. Ученые предвидят, что это замечательное свойство при невысокой себестоимости позволит применять новые солнечные батареи — наклейки в качестве источников питания для умной одежды и прочих электронных устройств, где важна гибкость.

Плюсы и минусы перовскитных солнечных элементов

Перовскитные солнечные элементы являются уникальным научным достижением. Благодаря ему в обозримом будущем появится возможность замены уже привычных панелей, основу которых составляет кремний. Минерал перовскит обеспечивает получение того же количества энергии, что и при использовании кремниевых батарей. Однако финансовые затраты, при производстве будут значительно меньше.

Сейчас учеными в разных странах ведется последовательная работа в плане совершенствования новой технологии. Существует международная группа специалистов, которые уже смогли установить серьезное достижение показателя КПД. Речь идет об элементах, имеющих обратный переход. Показатель напряжения одной ячейки был увеличен до одного вольта — причем, без повреждения хрупкого материала. И КПД солнечной батареи получился высоким — 20,9%. Это в разы повышает производительность новых элементов. Но обо всем по порядку.

Из истории перовскита: происхождение и перспективная альтернатива

Вещество перовскит было открыто более ста лет назад. Широкое же распространение стало получать только сейчас. На заре нынешнего столетия о нем уже говорили как о перспективном материале, который позволял бы изготавливать солнечные батареи более дешевыми и доступными для потребителей.

Другое название вещества — титанат кальция. Впервые его обнаружил геолог из Германии Густав Розе в 1839 году, в уральских месторождениях. Название минерал получил в честь графа Льва Алексеевича Перовского. Граф Перовский, кроме государственной деятельности на благо России, славился еще и тем, что коллекционировал редкие камни. Поэтому его имя и стало основой для названия нового вещества.

Раньше титанат кальция применялся в качестве диэлектрика, когда изготавливались керамические конденсаторы, имеющие большое количество слоев. Теперь его пытаются использовать с целью создания солнечных панелей, обладающих высокой эффективностью, так как он прекрасно поглощает световые частицы.

Известно, что уже привычные батареи из кремния имеют толщину в 180 мкрн. Перовскитная панель при показателе толщины всего в 1 мкрн вберет в себя столько же света, сколько кремниевая при 180-ти.

И кремний, и титанат кальция — оба полупроводники. Следовательно, очень хорошо осуществляют передачу электрического заряда под воздействием светового потока. Однако, что касается светового спектра, который преобразуется в электрическую энергию, у титаната кальция он значительно выше.

Поскольку сам перовскит стоит недорого, это позволит изготавливать элементы по более низкой цене, нежели кремний. А производимая электрическая энергия останется такой же.


Ученые утверждают, что если в будущем технология обработки титаната кальция станет более совершенной, это позволит производить перовскитные солнечные элементы уже для широкого круга потребителей. Сам производственный процесс со временем станет несложным, и цена на производство электрической энергии станет меньше во много раз.

Недостатки материала и выход из положения

Титанат кальция состоит из трех химических элементов:

  • кальция;
  • титана;
  • водорода.

В кристаллической решетке вещества они располагаются в определенном порядке и получили название перовскитных структур (ячеек). Они собирают свет и поглощают его внутри. Как уже было сказано, обходятся они недорого, легко «вписываются» в конструкцию солнечных панелей и не требуют установки дорогостоящего оборудования. Но когда эти структуры подвергаются сильному нагреву от Солнца, они становятся нестабильными. Это представляет собой серьезный недостаток, который нуждается в корректировке.

Путем долгих исследований и опытного производства международной группой ученых материал был реструктурирован. Его довели до определенной степени совершенства. Если говорить простым языком, из него удалось создать реальное инновационное вещество. Структура материала обрела нужную стабильность, не меняющуюся при нагревании.

Все это связано с технологией производства, которая позволила создать тандемные ячейки солнечных панелей, имеющих в основе не один, а два работающих вещества. Поскольку два материала позволяют панели собирать больше солнечного света, тандемные конструкции являются предпочтительнее стандартных.

В стандартных, как известно, ранее применялся только кремний. Теперь же, благодаря более совершенной структуре титаната кальция, в батареях могут успешно быть применены и он, и кремний — без риска получения короткого замыкания, которое возникало до того, как ученым удалось усовершенствовать перовскит.

Преимущества инновационных солнечных панелей

Итак, усовершенствованный титанат кальция позволяет создавать перовскитные солнечные элементы, которые обладают следующими преимуществами:

  • Неорганичность . Благодаря ей система получает достаточный уровень термостабильности. Панели меньше подвержены деградации вследствие теплового воздействия.
  • Более низкий уровень светопоглощения , который обеспечивает максимальную отдачу энергии вовне. В целях улучшения показателя производительности специалисты добавили в ячейки обычный марганец, и этот эксперимент также увенчался успехом.
  • Каждая панель снабжена электродами, переносящими ток с ячеистой структуры к внешним проводникам . Раньше электроды изготавливались из золота. Это, конечно, очень дорого, поэтому золото заменили на более дешевый, но не менее эффективный углерод, который можно просто нанести на элементы путем обыкновенной печати.

Дискуссия по поводу долговечности и дальнейшие перспективы

К сожалению, пока перовскитные солнечные батареи не могут быть долговечными. Срок службы их составляет не более года, максимум — двух лет, в то время как кремний может работать и до двадцати. Однако работа специалистов над усовершенствованием технологии производства этого ноу-хау продолжается.

Несмотря на то, что это только начало, уже идут серьезные разговоры о крупномасштабном производстве панелей данного типа. Кстати, впервые титанат кальция был применен при изготовлении ячеек элементов совсем недавно, в 2009 году. С того момента прошло еще совсем немного времени, а поскольку первые успешные результаты уже есть, дальнейшая перспектива вполне может обещать человечеству очень многое.

Увеличение мощности солнечных панелей за счёт новых технологий сделает такую энергию более дешёвой

Долгие годы ведутся работы над удешевлением процесса получения электроэнергии с помощью солнечных панелей. В последнее время они сфокусированы на увеличении мощности каждой панели благодаря использованию новых технологий и материалов, с помощью которых можно будет получать больше энергии от ферм прежнего размера. Ожидается, что работа именно в этом направлении сделает солнечную энергию более доступной.

Читайте также  Реле плавного включения и плавного выключения света

«В первые 20 лет XXI века наблюдалось значительное снижение стоимости модулей, но в последние два года эта тенденция заметно замедлилась. К счастью, новые технологии будут способствовать дальнейшему снижению стоимости электроэнергии», — считает Сяоцзин Сун (Xiaojing Sun), руководитель отдела глобальных исследований в области солнечной энергетики в компании Wood Mackenzie Ltd.

График снижения стоимости солнечных панелей / Изображение: PVinsights

Создание масштабных ферм солнечных панелей, автоматизация и интеграция эффективных технологий позволили добиться значительной экономии благодаря уменьшению затрат на рабочую силу и снижению отходов на производствах оборудования. Стоит отметить, что средняя стоимость солнечной панели в период с 2010 по 2020 годы снизилась на 90 %. Увеличение количества вырабатываемой энергии на каждую панель означает, что солнечным фермам будет достаточно предприятия меньшего размера для предоставления того же объёма энергии. Это также важный момент, поскольку стоимость земли под строительство, возведение фермы, проектирование и покупка сопутствующего оборудования снижается в цене не так быстро, как цена самих солнечных панелей.

Примечательно, что более мощные системы появляются уже сейчас. На протяжении большей части последнего десятилетия мощность многих солнечных панелей не превышала 400 Вт. В начале 2020 года производители начали поставлять 500-ваттные панели, а в этом году китайская компания Risen Energy Co. представила 700-ваттную модель.

Перовскитовый солнечный элемент / Изображение: Bloomberg

Повысить эффективность выработки электроэнергии могут современные материалы, наиболее эффективным из которых является перовскит. Более тонкий и прозрачный по сравнению с поликремнием, который традиционно использовался в солнечных панелях, перовскит можно наслоить поверх существующих солнечных панелей для повышения их эффективности. Кроме того, перовскит можно интегрировать в стёкла для создания окон в зданиях, которые способны генерировать энергию самостоятельно. Использовать перовскит ранее было нецелесообразно с финансовой точки зрения, но, похоже, в последнее время ситуация изменилась. В мае 2020 года компания Wuxi UtmoLight Technology Co. объявила о намерении выпустить пробную серию панелей на основе перовскита к октябрю, а массовое производство будет организовано к 2023 году.

Солнечная ферма в китайском Тунчуане

Ещё один вариант повышения эффективности заключается в использовании двухсторонних панелей. Стандартные солнечные панели могут вырабатывать энергию за счёт обращённой к солнцу стороны. Но они также могут собирать часть отражаемой от земли энергии. Заменив непрозрачный материал основы панелей специальным стеклом, можно получить дополнительную энергию. Панели такого типа начали пользоваться популярностью в 2019 году и с тех пор их стоимость существенно снизилась.

Обеспечить увеличение мощности можно за счёт перехода от положительно заряженного кремниевого материала к отрицательно заряженным продуктам n-типа. Материал такого типа изготавливается путём легирования поликремния небольшим количеством элемента с дополнительным электроном, например, фосфором. Такой материал дороже в производстве, но он на 3,5 % эффективнее используемых в настоящее время аналогов. Ожидается, что панели на основе такого материала появятся на рынке в 2024 году, а уже к 2028 году будут преобладать на нем.

Линия сборки солнечных модулей в китайском Хайане / Изображение: Getty Images

Ещё одно направление повышения эффективности работы солнечных панелей связано с увеличением размера солнечных пластин. С 2010 года стандартный размер солнечной пластины составлял 156 мм. Последнее время производители стали увеличивать площадь, чтобы повысить эффективность и снизить производственные затраты. Согласно имеющимся данным в данный момент они продвигают 182- и 210-миллиметровые солнечные пластины, которые, как ожидается, займут больше половины рынка к 2023 году.

Органические солнечные батареи: преимущества, материалы и перспективы

Современные органические солнечные батареи являются образцом одной из самых перспективных технологий преобразования солнечной энергии. Основные сферы, где она применяется уже сегодня – потребительская электроника, жилой и коммерческий сектор, оборонная промышленность.

Специалистами прогнозируется, что объём рынка такой фотовольтаики в 2021 году составит более 2,5 млрд. USD. На протяжении последних 5-6 лет появляются все новые изделия на органической основе. В их числе не только гибкие пленки, но и тенты, полупрозрачные навесы, зонты, палатки, сумки, светопреобразующие волокна, ткани и другие.

Органические солнечные батареи – структура, виды и материалы

Все описанные в различных источниках перспективные фотоэлектрические панели на базе органики делятся на два основных вида.

1. «Слоистый», в котором активные компоненты наносятся на подложки отдельными слоями. Как видно на фото (тип «а») в качестве примера показана структура органической «слоистой» солнечной батареи. Ее состав – отдельные плёнки на базе диселенида меди/индия/галлия/селена (CIGS).

Прогрессивным методом нанесения CIGS является метод печати, основанный на использовании суспензии частиц оксидов металлов – «чернил». С учётом вязкости, зависящей от размеров частиц и их концентрации, возможно использование метода трафаретной печати или струйного осаждения.

2. «Гетеропереходной» (тип «б»). Данный вид органических солнечных батарей – это панели из смеси графена и полимера с обычным гетеропереходом. В их структуре присутствует только один фотоактивный слой, являющийся смесью «донора» фуллерена и полимерного «акцептора».

Первый вариант наиболее востребован авиационной, космической и оборонной промышленностью, в связи с более высоким КПД, достигающим сегодня 25-27%. Второй вариант обещает стать настоящим прорывом для наземного коммерческого и бытового использования, благодаря низкой стоимости и простоте внедрения.

Характеристики, достоинства и перспективы

Важнейшими характеристиками третьего поколения фотовольтаики являются:

  • толщина порядка 1 мм;
  • высокая прочность и устойчивость к внешним факторам;
  • легкость нанесения на все виды материалов;
  • возможность быстро изготавливаться на бесконечно длинных лентах – так называемые рулонные органические солнечные батареи;
  • различная светопропускная способность, вплоть до почти полной прозрачности;
  • предельно малый вес;
  • экологическая безопасность для окружающей среды и здоровья окружающих.

В настоящее время исследования и разработки новых органических солнечных батарей наиболее интенсивно проводятся в США, Германии, Японии, Китае и России. Основным направлением работ являются создание и совершенствование материалов для их изготовления. Конечная цель – сделать поглощающие энергию солнца элементы:

  • более эффективными;
  • многофункциональными,
  • быстрыми и простыми в изготовлении;
  • с максимально длительным сроком эксплуатации;
  • легкими и дешевыми;
  • разнообразными по форме.


Сферы применения

Таковых уже сейчас можно насчитать более десятка.

  1. Ряд компаний предлагает купить полупрозрачные и прозрачные органические солнечные батареи из графена, которые можно наносить на внешнюю сторону оконных стекол. Это позволяет решать одновременно две задачи – сохранять уровень светопропускания и осуществлять выработку электроэнергии.
  2. Еще одним интересным предложением являются фотоэлектрические элементы в виде прочных тканевых волокон. Специалисты прогнозируют, что спустя всего 7-10 лет в источник электричества можно будет превратить любую ткань. А пока их массово начинают вплетать в одежду, обувь, сумки и прочие популярные аксессуары.
  3. Следующим перспективным направлением является переход с кремниевых на органические солнечные батареи для автомобилей и самолетов. Купить такие виды транспорта можно во многих странах мира.
  4. Обязательно придет этот вид фотовольтаики в сферу автомобильного, лодочного и пешего туризма. Во время длительных походов, поездок или сплавов по рекам демонстрирующая очень высокий КПД в условиях слабого освещения органика незаменима.

Повышение производительности батарей из органических материалов

Пока рулонные органические солнечные батареи проигрывают «классике» в уровне эффективности. Для изменения данной тенденции инженеры находят разные способы, из которых более прочих распространены два.

Способ №1 – Тандемные ячейки

Одной из проблем «солнечной» органики являются слабые молекулярные связи. Решение ученые нашли в создании тандемных ячеек, каждый слой которых состоит из органических материалов разного типа и поглощает различные длины волн.

Лидером разработок этого направления является китайский физик Чен Йонг Шен и его группа. По утверждению профессора, производительность фотоэлектрических элементов этого класса уже через 3-4 года может вырасти на 30-40%.

Читайте также  Как рассчитать гасящее сопротивление?

Способ №2 – солнечные батареи на органических красителях из бактерий с измененной ДНК

Первыми применять бактерии с модифицированным геномом начали канадцы. С 2018 года они экспериментируют с микроорганизмами вида E.coli, известными своей способностью производить ликопин.

Биохимики из университета Торонто смогли внедрить бактерии в минеральный порошок с полупроводниковыми свойствами. При помещении на подложку такие «биогенные» элементы начали давать ток за счет своей жизнедеятельности.

Пока солнечные батареи на органических красителях не получили широкого распространения. Но их важным достоинством является теоретически почти бесконечный срок жизни. Ведь многие поколения бактерий постоянно будут сменять друг друга, и при правильно подобранных условиях колония на подложке может жить и давать ток сколь угодно долго.

Рекорд КПД нынешней фото органики составляет 25% — причем при сверхслабой освещенности всего 220 люкс (аналог довольно темной комнаты). Разработчики новинки – CEA (Франция) и Toyobo Co., Ltd (Япония).

Как работают солнечные батареи: принцип, устройство, материалы

Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии. В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию. Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.

Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца. В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный. Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.

Немного истории

Первые попытки использования энергии солнца для получения электричества были предприняты еще в середине двадцатого века. Тогда ведущие страны мира предпринимали попытки строительства эффективных термальных электростанций. Концепция термальной электростанции подразумевает использование концентрированных солнечных лучей для нагревания воды до состояния пара, который, в свою очередь, вращал турбины электрического генератора.

Поскольку, в такой электростанции использовалось понятие трансформации энергии, их эффективность была минимальной. Современные устройства напрямую преобразуют солнечные лучи в ток благодаря понятию фотоэлектрический эффект.

Современный принцип работы солнечной батареи был открыт еще в 1839 году физиком по имени Александр Беккерель. В 1873 году был изобретен первый полупроводник, который сделал возможным реализовать принцип работы солнечной батареи на практике.

Принцип работы

Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.

При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.

Эффективность фотоэлементов, созданных при помощи монокристаллического метода нанесения кремния, является существенно выше, поскольку в такой ситуации кристаллы кремния имеют меньше граней, что позволяет электронам двигаться прямолинейно.

Устройство

Конструкция солнечной батареи очень проста.

Основу конструкции устройства составляют:

  • корпус панели;
  • блоки преобразования;
  • аккумуляторы;
  • дополнительные устройства.

Корпус выполняет исключительно функцию скрепления конструкции, не имея больше никакой практической пользы.

Основными элементами являются блоки преобразователей. Это и есть фотоэлемент, состоящий из материала-полупроводника, которым является кремний. Можно сказать, что состоят солнечные батареи, устройство и принцип работы которых всегда одинаковый, из каркаса и двух тонких слоев кремния, который может быть нанесен на поверхность, как монокристаллическим, так и поликристаллическим методом.

От метода нанесения кремния зависит стоимость батареи, а также ее эффективность. Если кремний наносится монокристаллическим способом, то эффективность батареи будет максимально высокой, как и стоимость.

Если говорить о том, как работает солнечная батарея, то не нужно забывать об аккумуляторах. Как правило, используется два аккумулятора. Один является основным, второй — резервным. Основной накапливает электроэнергию, сразу же направляя ее в электрическую сеть. Второй накапливает избыточную электроэнергию, после чего направляет ее в сеть, когда напряжение падает.

Среди дополнительных устройств можно выделить контроллеры, которые отвечают за распределение электроэнергии в сети и между аккумуляторами. Как правило, они работают по принципу простого реостата.

Очень важными элементами солнечной назвать диоды. Данный элемент устанавливается на каждую четвертую часть блока преобразователей, защищая конструкцию от перегрева из-за избыточного напряжения. Если диоды не установлены, то есть большая вероятность, что после первого дождя система выйдет из строя.

Как подключается

Как было сказано раньше, устройство солнечной батареи достаточно сложное. Правильная схема солнечной батареи поможет добиться максимальной эффективности. Подключать блоки преобразователей необходимо при помощи параллельно-последовательного способа, что позволит получить оптимальную мощность и максимально эффективное напряжение в электрической сети.

Разновидности солнечных батарей

Существует несколько разновидностей фотоэлементов для солнечных батарей, которые отличаются между собой строением кристаллов кремния.

Выделяют три вида фотоэлементов:

  • поликристаллические;
  • монокристаллические;
  • аморфные.

Первый вид панелей является более дешевым, но менее эффективным, поскольку, если кремний нанесен поликристаллическим способом, то электроны не могут двигаться прямолинейно.

Монокристаллические фотоэлементы отличаются максимальным КПД, который достигает 25 %. Стоимость таких батарей выше, но для получения 1 киловатта нужна существенно меньшая площадь фотоэлементов, чем при использовании поликристаллических панелей.

Из аморфного кремния изготавливают гибкие фотоэлементы, но их КПД самый низкий и составляет 4-6 %.

Преимущества и недостатки

Основные преимущества солнечных батарей:

  • солнечная энергия абсолютно бесплатная;
  • позволяют получать экологически чистую электроэнергию;
  • быстро окупаются;
  • простая установка и принцип работы.

  • большая стоимость;
  • для удовлетворения потребностей небольшой семьи в электроэнергии нужна достаточно большая площадь фотоэлементов;
  • эффективность существенно падает в облачную погоду.

Как добиться максимальной эффективности

При покупке солнечных батарей для дома очень важно подобрать конструкцию, которая сможет обеспечить жилище электроэнергией достаточной мощности. Считается, что эффективность солнечных батарей в пасмурную погоду составляет приблизительно 40 Вт на 1 квадратный метр за час. В действительности, в облачную погоду мощность света на уровне земли составляет приблизительно 200 Вт на квадратный метр, но 40 % солнечного света – это инфракрасное излучение, к которому солнечные батареи не восприимчивы. Также стоит учитывать, что КПД батареи редко превышает 25 %.

Иногда энергия от интенсивного солнечного света может достигать 500 Вт на квадратный метр, но при расчетах стоит учитывать минимальные показатели, что позволит сделать систему автономного электроснабжения бесперебойной.

Каждый день солнце светит в среднем по 9 часов, если брать среднегодовой показатель. За один день квадратный метр поверхности преобразователя способен выработать 1 киловатт электроэнергии. Если за сутки жильцами дома израсходуется приблизительно 20 киловатт электроэнергии, то минимальная площадь солнечных панелей должна составлять приблизительно 40 квадратных метров.

Однако, такой показатель потребления электроэнергии на практике встречается редко. Как правило, жильцы израсходуют до 10 кВТ в сутки.

Если говорить о том, работают ли солнечные батареи зимой, то стоит помнить, что в данную пору года сильно снижается длительность светового дня, но, если обеспечить систему мощными аккумуляторами, то получаемой за день энергии должно быть достаточно с учетом наличия резервного аккумулятора.

При подборе солнечной батареи очень важно обращать внимание на емкость аккумуляторов. Если нужны солнечные батареи работающие ночью, то емкость резервного аккумулятора играет ключевую роль. Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке.

Несмотря на тот факт, что стоимость установки солнечных батарей может превысить 1 миллион рублей, затраты окупятся уже в течении нескольких лет, поскольку энергия солнца абсолютно бесплатна.

Видео

Как устроена солнечная батарея, расскажет наше видео.