Кубанский ученый разработал технологию печати солнечных панелей на принтере
Печать гибких солнечных батарей от Дмитрия Лопатина
МЕСТО ПОД СОЛНЦЕМ
Идея создания гибких батарей родилась у выпускника аспирантуры кафедры радиофизики и нанотехнологий КубГУ, когда он, будучи студентом, проходил практику на краснодарском предприятии «Сатурн», которое занимается разработкой солнечных и аккумуляторных батарей для космических кораблей. «Меня всегда интересовали экологические проекты, позволяющие хотя бы частично уменьшить зависимость от энергоресурсов», – объясняет свое увлечение Дмитрий Лопатин. Сегодня работа над технологией является одним из проектов компании Wira Energy, созданной Лопатиным в 2011 году совместно с еще одним лауреатом Зворыкинской премии, москвичом Александром Атамановым. «Мы в Краснодаре больше занимаемся собственными разработками, – объясняет Дмитрий Лопатин. – Функции Александра (Атаманова. – Прим. ред.) – бизнес, встречи и переговоры. Помимо проектов Wira Energy у него есть еще и два своих». Над технологией производства гибких солнечных батарей краснодарец вместе с однокурсником Олегом Барановым, а также аспирантами и студентами КубГУ работает уже около трех лет. Свои разработки они проводят частично на базе университета, частично – на заводе «Сатурн».
Предложенный краснодарцами тип тонкопленочных солнечных модулей сегодня менее развит, чем батареи на кристаллическом кремнии. Общий объем их производства в мире составляет примерно четверть от всей фотоэлектрической промышленности. Особенность подобных панелей в том, что полупроводник в них осаждается на подложку тонким слоем (толщиной порядка одного микрона). А в качестве полупроводника могут выступать различные материалы, обладающие способностью поглощать свет.
Тонкопленочные модули не требуют прямых солнечных лучей и работают при рассеянном излучении. Поэтому их суммарная годовая мощность на 10-15% больше, чем у традиционных кристаллических солнечных панелей.
Кроме того, подобные батареи более эффективны в условиях тумана, пасмурной погоды, а также в местах с высоким содержание макрочастиц в воздухе. Единственным их недостатком является то, что они занимают площадь в 2,5 раза больше, чем моно- и поликристаллические панели.
«Наши модули состоят из слоя пластика и непосредственно самого слоя батареи, – поясняет Дмитрий Лопатин. – Качества батарей мы добиваемся за счет того, что наносим слои равномерно, тонким распылением». По словам краснодарца, использование недорогих материалов, а также снижение их расхода за счет технологии приводит к уменьшению удельной стоимости получаемой энергии примерно в 4 раза. Это позволяет значительно сократить срок окупаемости панелей. Кроме этого, устройства по производству батарей позволяют в автоматизированном режиме печатать целые рулоны солнечных ячеек. «Сейчас для производства одного квадратного метра панелей требуется около двух часов. В перспективе мы хотим добиться результата в 30 квадратов за сутки», – объясняет г-н Лопатин.
Себестоимость 1 кв. м солнечных батарей составляет 3-4 тыс. рублей, а затраты, понесенные на создание установки для производства ячеек, – порядка 300-400 тыс. рублей. Основной доход Wira Energy планирует получать от продажи батарей, но не исключается и возможность реализации установок. И хотя область применения гибких панелей довольно широка, компания в большей степени ориентируется на использование своих батарей для электростанций. «Подобные модули могут использоваться для тех же нужд, что и обычные кристаллические, плюс благодаря гибкости их можно встраивать в одежду, палатки и другое туристическое снаряжение. Однако нас больше интересует использование панелей на крышах домов», – рассказывает Дмитрий Лопатин.
Именно производство солнечных батарей для электростанций сегодня занимает большую часть мирового рынка – 90%. Оставшиеся 10% приходятся на текстильную промышленность. По данным РБК, основными предприятиями по объемам выпуска солнечных фотоэлементов и модулей в России являются «Солнечный ветер» (Краснодар), «ТелекомСТВ» (Москва, Зеленоград), московское предприятие «Всероссийский НИИ электрификации сельского хозяйства» (ВИЭСХ), «Сатурн» (Краснодар) и СОЛЭКС (Рязань). Их доля на рынке страны – более 80%, в мире же российским компаниям принадлежит лишь около 1% общего объема производства. Дмитрий Лопатин считает, что их продукции вполне по силам выйти на международный рынок. «Главными технологическими конкурентами для нас сейчас являются американские компании Nanosolar и Twin Creeks Technology. Они используют похожие решения, однако наша технология в некоторых областях точнее и дешевле», – объясняет Лопатин.
ЭНЕРГИЯ ГРАНТОВ
В свой проект краснодарцы уже вложили около 600-700 тыс. рублей. Из них 500 тысяч составили правительственные гранты и лишь 200 тысяч – собственные средства компании. Со своей технологией Дмитрий Лопатин стал лауреатом конкурса «Энергия молодости», организованного фондом «Глобальная энергия», а также получил помощь от Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (фонд Бортника). Общая сумма грантов составила более 1 млн рублей. Еще на 1 млн рублей краснодарцы могут рассчитывать в случае присуждения Зворыкинской премии. Проект уже дошел до полуфинала конкурса, набрав по итогам первого этапа наибольшее количество баллов в номинации «Чистые технологии».
По словам Дмитрия Лопатина, чтобы доработать до конца образец устройства для печати батарей, потребуется еще около 3-4 млн рублей. «Мы уже изготовили небольшую установку для производства. Недавно из США пришли детали для второй. Когда будет готова более масштабная модель, можно будет выходить на рынок», – рассказывает разработчик. Сейчас проект не имеет инвесторов, но разработкой активно интересовались представители Российской венчурной компании, а также ГК «Ренова». Последняя, кстати, недавно вместе с Роснано запустила в Новочебоксарске предприятие полного цикла по производству солнечных модулей на базе технологии тонких пленок.
Однако сам Дмитрий Лопатин считает, что вкладывать деньги в проект пока рано. «Для начала необходимо отладить технологию, – говорит молодой ученый. – А вот через год, когда все необходимое будет сделано, имеет смысл привлекать инвестиции для масштабирования производства». Именно совершенствование технологии станет главной задачей разработчиков на ближайшее время. Недавно они нашли еще одно помещение для работы в нескольких километрах от Краснодара. Там молодые специалисты планируют запустить тестовое производство своих батарей.
КОРЕЙСКОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ
Проекты «Печатаемые гибкие солнечные батареи» и W.IRA являются основными для компании Wira Energy. И если первый пока еще находится на стадии разработки, то последний вот-вот должен появиться на рынке. Недавно компания получила российский патент на изобретение, а также запустила серийное производство встраиваемых в столешницы блоков для зарядки смартфонов.
Технологию российских разработчиков уже высоко оценил соучредитель Apple Стив Возняк, со своими предложениями к краснодарцам обратились Nokia и Samsung. С представителями последней создатели W.IRA должны в скором времени подписать контракт. По словам Дмитрия Лопатина, сумма сделки оценивается в несколько десятков миллионов долларов. «Мы пока на стадии подписания соглашения. Недавно была оформлена международная патентная заявка. Но чтобы Samsung смог внедрить наше изобретение, необходимо еще подать несколько заявок по странам, в том числе и в Корее», – рассказывает аспирант КубГУ. Пока же команда Лопатина размышляет над тем, как лучше поступить со своим изобретением: производить самим или использовать трансфер технологий. «Мы больше склоняемся к промежуточному варианту. Линзы для поля будем делать сами. Остальное передадим в Samsung, у них получится сделать лучше и дешевле», – поясняет Лопатин.
Сейчас первоочередная задача для краснодарца – вывести главные продукты компании на рынок. А после этого, как признается сам ученый, он хотел бы заняться разработками, связанными с медициной. «Есть у меня еще один проект – компактный магнитный энцефалограф для лечения нервной системы. В нем частично используются технологии, ранее реализованные в беспроводных источниках питания. Только здесь они применяются для магнитной стимуляции мозга, – рассказывает изобретатель. – Также параллельно идет работа над системой магнитной энцефалографии. Ее отличие в том, что считываются не электрические потенциалы, а слабое магнитное поле мозга, которое примерно в тысячу раз слабее магнитного поля Земли. Эти датчики позволят лучше считывать глубинные сигналы мозга и создать более совершенные модели нейрокомпьютерных интерфейсов».
Пока ученые больше сконцентрированы на лечении заболеваний и заняты созданием шлема, позволяющего проводить стимуляцию головного мозга с целью избавления от последствий инсультных параличей и заикания. По словам Дмитрия Лопатина, область медицины его всегда привлекала. Единственным ее недостатком он считает длительный период разработки – от начала работы над проектом до внедрения медицинской технологии проходит, как правило, не менее пяти лет.
Источник
Открыт метод печати солнечных панелей на любых поверхностях
Инженеры из Университета Торонто усовершенствовали технологию производства солнечных панелей из перовскита. Новая методика позволит в будущем печатать высокоэффективные солнечные батареи с такой же легкостью, что и газеты. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.
Большинство солнечных панелей на рынке изготавливают из слоев кристаллического кремния. Они производятся при температурах выше 1000 градусов Цельсия и с использованием большого количества опасных растворителей.
Японские инженеры удвоили КПД солнечных элементов
В отличие от модулей из кристаллического кремния, панели из кристаллов перовскита тоньше и производятся из дешевых и светочувствительных материалов. На основе перовскита можно создавать так называемые «солнечные чернила», которые позволяют печатать панели на стекле, пластике и других материалах при помощи струйного принтера.
Однако главная проблема при производстве перовскитных модулей заключается в электро-селективном слое (ESL), который помогает извлекать вызванные солнечным излучением электроны из кристаллов перовскита.
«Наиболее эффективный материалы для создания ESL — это порошки, которые нужно спекать при температуре выше 500 градусов Цельсия. Этот слой нельзя нанести на полоску гибкого пластика или на уже готовую солнечную панель — они просто расплавятся», — описал проблему руководитель исследования Хаижень Тан.
«Наша система будет стоять и на Tesla, и на беспилотниках Google»
Канадские ученые во главе с Таном разработали химическую реакцию, которая позволяет «выращивать» электро-селективный слой из наночастиц в растворе прямо на поверхности электрода. Этот процесс также требует нагревания, но температура при этом не превышает 150 градусов. При такой температуре большинство пластиков сохраняют свою форму, сообщает Science Daily.
Эффективность полученных модулей составляет 20,1% — незначительное меньше, чем у перовскитных солнечных панелей, произведенных традиционным методом. Кроме того, даже после 500 часов эксплуатации батареи сохраняют более 90% своей первоначальной эффективности.
Новая технология позволит наносить солнечные панели на различные предметы и устройства: от чехлов для смартфонов до стеклопакетов. Также перовскитные модули можно наносить на обычные солнечные панели без повреждения основы и повышать эффективность до рекордных 30%.
Физики случайно удешевили процесс производства графена
В ноябре прошлого года ученые из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории им. Лоуренса Беркли добились рекордного КПД. В пиковый период эффективность новых солнечных элементов достигала 26%. Прорыва удалось добиться благодаря сочетанию двух перовскитных материалов, каждый из которых впитывает разные длины волн солнечного света. Похожая методика позволила японским ученым удвоить КПД солнечных элементов. Повысить эффективность инженеры также пытаются с помощью экспериментов с материалами — фотолюминесцентными и светопоглощающими.
Источник
Печать солнечных элементов на любом материале
Австралийские ученые, специализирующиеся на солнечной энергии, сегодня на один шаг ближе к созданию более дешевого и быстрого способа печати солнечных элементов на пластике.
Старший научный сотрудник CSIRO (национальное научное агентство Австралии, одно из крупнейших и наиболее диверсифицированных исследовательских агентств в мире) доктор Фиона Скоулз (Fiona Scholes) рассказала, что технология находится уже почти на стадии коммерциализации и может быть установлена и использована где угодно — от корпусов ноутбуков для их подзарядки, до снабжения домов путем установки на крыше.
«Чехлы для планшетов, мобильных телефонов, сумки для ноутбуков – мы хотим чтобы они служили не только для переноса или защиты устройств, но и для генерации энергии для зарядки этой электроники», говорит доктор Скоулз.
Консорциум Органических Солнечных Элементов (сотрудничество между научными учреждениями и промышленностью, базирующейся в штате Виктория), который стоял за разработкой проекта, включает в себя также ученых из CSIRO, университета Мельбурна и университета Монаш, работающих над печатью солнечных батарей с 2007 года.
Команда быстро показала результаты, создав солнечную батарею размером с монету и увеливия ее до размера А3.
Доктор Скоулз рассказала, что команда использовала коммерческие принтеры, которые были модернизированы для работы с солнечными чернилами.
«Это очень дешево. То, как это выглядит и работает значительно отличается от традиционных кремниевых солнечных элементов», говорит она.
«Солнечная панель может быть сделана полупрозрачной – мы можем использовать ее для тонированя окон».
По словам доктора Скоулз любые пластиковые поверхности могут быть заменены на солнечные батареи. Это делает их идеальными для энергопитания небоскреба, например.
Команда создала процесс, который использует каплеструйную печать, обратную глубокую печать и тонкопленочное нанесения, на ряду с шелкотрафаретной печатью. Используя полупроводниковые чернила, исследователи напечатали солнечные элементы непосредственно на гибкой, толщиной в лист бумаги, пластиковой PET подложке – материале, из которого сделаны бутылки для минеральной воды и газировки.
Ячейки так же могут быть напечатаны на стали или на полупрозрачном материала для покрытия окон и облицовки зданий. Скорость печати на данный момент превысила 10 метров в секунду, выдавая готовый солнечный элемент каждые 2 секунды.
«Мы печатаем солнечную панель на пластик примерно таким же образом, как печатаются наши пластиковые банкноты, кредитки», объясняет Скоулз.
«Подключать солнечную панель также просто, как и подключить батарею».
Пока главным недостатком этой технологии является то, что напечатанная солнечная панель работает только на 10% эффективности кремниевых элементов. Тем не менее, команда ожидает сокращения разрыва благодаря улучшению солнечных чернил, таким образом, чтобы они смогли генерировать больше электроэнергии.
Первоначальная продолжительность жизни печатных солнечных батарей было всего шесть месяцев, но команда работает над увеличением этого срока до 10 лет.
Доктор Скоулз описывает разницу между печатной солнечной батареей и кремнием: «Было бы замечательно, если бы мы смогли достичь аналогичную подачу питания по значительно сниженным ценам. Кремний падает в цене, но подумайте, насколько дешев пластик. Чернила имеют незначительную стоимость, так что получается сырье экономически эффективно.
Это большой шаг вперед, потому что вы сможете разместить эти солнечные элементы везде, где захотите. Также применимость этих элементов гораздо лучше, чем у кремния – она хорошо работает в облачную погоду».
Пока команда не может производить коммерческий продукт самостоятельно, ряд компаний уже вызвались, чтобы обсудить изготовление солнечных элементов. И хотя принтер, который использует команда, стоит около $ 200 000, эффект масштаба промышленного производства, как ожидается, сделает солнечные элементы значительно доступнее.
Источник