Ультрафиолет для солнечных батарей

Прозрачный солнечный элемент показал эффективность более 10 процентов

Li et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020

Американские и китайские химики создали солнечный элемент с эффективностью более десяти процентов и светопроницаемостью более 45 процентов. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Создание прозрачных солнечных панелей — одна из самых интересных областей современной фотовольтаики. Такие солнечные панели можно будет встраивать в окна домов и получать дополнительную электроэнергию без ущерба для внешнего вида здания и освещенности внутри. Однако создать устройства, сочетающие высокую эффективность и достаточную светопроницаемость, непросто. Можно сказать, что эти параметры конкурируют друг с другом — чем больше фотонов пройдет насквозь через солнечный элемент, тем меньше фотонов поглотится в активном слое и тем меньше энергии выработает панель. Впрочем, некоего баланса достичь можно: для этого надо искать материалы с высоким коэффициентом поглощения вне видимой области спектра, а также максимально эффективно использовать энергию поглощенных фотонов.

Американские и китайские химики под руководством Стивена Форреста (Stephen R. Forrest) из Мичиганского университета сумели получить прозрачные солнечные панели с высокой эффективностью. Активный слой этих солнечных батарей представляет собой тонкую пленку смеси двух соединений — донора и акцептора. В качестве донора использовали полимер PCE-10, который практически прозрачен в видимой области спектра. Для того чтобы выбрать идеальный акцептор, ученые синтезировали и протестировали три похожих поликонденсированных гетероароматических соединения: уже использовавшийся в прозрачных элементах акцептор SBT-FIC и два похожих на него соединения А078 и А134, для которых максимум поглощения еще дальше сдвинут в ближнюю инфракрасную область. Дополнительным аргументом в пользу новых акцепторов оказалась простота их получения — это важно для стоимости будущих солнечных модулей. Синтез SBT-FIC включает в себя десять последовательных стадий, а синтез А078 и А134 — всего по шесть стадий.

Формулы соединений-акцепторов и соответствующие спектры поглощения.

Li et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020

Сравнивая прозрачные солнечные элементы, ученые вычисляют произведение двух конкурирующих параметров — эффективности и светопроницаемости. Для солнечного элемента на основе A078 этот параметр оказался равен 5,0 процентам. Это очень заметный шаг вперед, ранее рекордным значением этого параметра было 3,9 процента.

В дальнейшем Форрест и его коллеги планируют заняться повышением стабильности устройств — пока что в этом параметре прозрачные солнечные элементы заметно уступают традиционным кремниевым.

Изготовление прозрачных солнечных панелей — не единственный способ гармонично вписать солнечный элемент в дизайн здания. Например, компания Tesla несколько лет назад начала выпускать солнечные панели, которые внешне имитируют черепицу. Панели состоят из трех слоев: нижний представляет собой высокоэффективную солнечный элемент, средний слой — маскирующее стекло, а внешний слой —закаленное защитное стекло. Если смотреть на такую панель с земли, благодаря маскирующим слоям она будет выглядеть как дерево или камень, однако для падающего сверху солнечного луча верхние стеклянные слои прозрачны.

Источник

Ультрафиолетовые солнечные панели 2

Солнечные панели есть двух основных типов: моно- и поликристаллические. Монокристаллические работают чуть лучше поликристаллических за счёт большего КПД, но есть продавцы панелей, которые говорят, что у них «специальные» солнечные панели, разработанные для северных широт и таким панелям не нужно прямое солнечное излучение, т.к. они работают от ультрафиолета (УФ). Работают даже в пасмурную погоду, когда небо свинцового цвета, якобы потому что УФ не задерживается облаками, а свободно проходит сквозь них.

Давайте разбираться так-ли это на самом деле и насколько эффективно солнечные панели работают от ультрафиолетового излучения.

Сначала немного о Солнце

Наше Солнце – это гигантский естественный термоядерный реактор в небе, который непрерывно высвобождает огромное количество энергии. Если сравнивать Солнце с другими “небесными” термоядерными реакторами, то оно затмевает 85% звёзд нашей галактики.

Насколько оно мощное?

Например, если взять:

• всю энергию, которое человечество производит за счёт сжигания угля, нефти и природного газа
• всю энергию от деления урана в ядерных реакторах на атомных электростанциях
• всю энергию ветра

и просуммируем всё это за год, это полученное значение приблизительно равно энергии, которую Земля получает от Солнца за 7 секунд! При этом, нужно сказать, что на Землю попадает только 0.00000005% энергии вырабатываемой Солнцем.

Эта энергия достигает Земли в виде фотонов и эти фотоны имеют разную длину волны, чем короче длина волны, тем больше энергии он несёт. Так, “фиолетовый” фотон (длина волны 360нм, где нм – нанометр – 10 -9 м) несёт в 2 раза больше энергии чем “красный” фотон (длина волны 720нм). Если чуть-чуть углубиться в физику, то формуле Планка энергия фотона равно E=hν=hc/ λ , где h – постоянная Планка, ν – частота, а λ – длина волны.

Наши глаза способны видеть фотоны только из видимого диапазона, с длинами волн 360 – 720нм. Всё что видим глазами – это видимый свет, если у фотонов не хватает энергии, то это инфракрасные фотоны и наши глаза не способных из увидеть, если слишком много энергии, то это ультрафиолетовые фотоны, наши глаза также не могут их увидеть.

Что от Солнца достигает поверхности Земли

Если посмотреть состав солнечного света достигающего Земли, то 4% от него составляет ультрафиолет, 43% видимый свет и 53% из инфракрасного диапазона. Солнечные панели по большей части работают в видимом диапазоне, также захватывают приблизительно половину инфракрасного диапазона и только самую малую часть ультрафиолетового диапазона.

Почему УФ солнечные батареи – это обман?

Потому что ультрафиолетовое излучение – это малый процент солнечной энергии, поэтому если кто-то попытается вам продать солнечную панель, работающую от УФ-света и УФ-свет это всё что она может “переработать”, то это откровенная ерунда (мягко говоря) по сравнению “обычной” панелью. Если же она каким-то образом работает и как обычная солнечная панель и также использует ультрафиолет, то увеличение генерирующей способности будет не такое большое и составит

5%. В результате, солнечная панель с КПД 20% станет всего-навсего солнечной панелью с КПД 21%.

Поскольку в реальности солнечных панелей, способных хорошо использовать ультрафиолет не существует, даже такое скромное улучшение будет нереалистичным. Хотя, вы можете найти солнечные панели которые более-менее эффективно “перерабатывать” ультрафиолетовое излучение в космосе, но солнечные элементы таких панелей не используются в панелях, которые размещаются на крышах домов.

Солнечный свет в космосе

Как вы уже знаете, Солнце – это гигантский неконтролируемый ядерный реактор и можно подумать, что оно создаёт огромное количество опасной радиации. И вы, чёрт возьми, будете правы. Только есть одно НО. Ядерные реакции происходят глубоко в ядре Солнца и из-за его гигантских размеров радиация просто не может выйти наружу.

Свет сам по себе может с трудом выбраться из солнечного ядра. Так, фотону может понадобиться 100 000 лет, чтобы добраться от ядра до поверхности Солнца. А вот уже оттуда фотону требуется 8 минут и 20 секунд чтобы встретиться с чей-то солнечной панелью.

По сравнению с суммарной излучаемой энергией, Солнце производит лишь незначительное количество высокоэнергетического излучения, такого рентгеновское или гамма-излучение. Но для хрупких органических существ ( то бишь людей), даже незначительное количество такого излучения может стать существенным.

Солнечный свет на поверхности Земли

К тому времени, когда солнечное излучение достигнет верхнего слоя земной атмосферы, его интенсивность составит приблизительно 1366Вт/м² (ссылка на данные, спутник). После прохождения через атмосферу интенсивность излучения уменьшится на 18% и составит 1120Вт/м². Только нужно иметь ввиду, что такая интенсивность будет только в полдень, только на экваторе и только в ясный день.

Поскольку условия редко бывают идеальными, Стандартные Тестовые Условия (STC, Standart Test Conditions) для солнечных панелей – это интенсивность излучения 1000Вт/м². Это означает, что есть у вас есть солнечная панель с номинальной мощность 300Вт, то такое количество ватт она выдаст при интенсивности солнечного излучения 1000Вт на квадратный метр.

Но не переживайте с вашей солнечной электростанцией ничего не случится, в ней ничего не сгорит и не взорвётся даже есть интенсивность солнечного света превысит 1000Вт/м². Производители оборудования и проектировщики солнечных электростанций учитывают это. Они также учитывают, что интенсивность солнечного света будет еще выше, если свет будет светить как бы сквозь отверстие в облаках, а солнечные панели будут одновременно подвергаться воздействию как прямых солнечных лучей, так не прямых лучей, рассеянных окружающими облаками.

Солнечный спектр

Диаграмма ниже взята из Википедии. Она показывает какое количество солнечного излучения достигает поверхности Земли. Жёлтая область диаграммы показывает количество солнечного света попадающего в верхнюю границу атмосферы, а красная показывает какое количество достигает земной поверхности.

Источник: Википедия

В полдень, в районе экватора атмосфера задерживаем

18% процентов проходящей через неё солнечной энергии. Однако график выше – это не мгновенный снимок, снятый на экваторе в полдень при идеальных погодных условиях, а репрезентативный снимок солнечного излучения, в целом падающего на Землю. Поэтому из графика видно, что атмосфера поглощает больше, чем только 18% проходящего света. Утром и вечером солнечные лучи должный пройти более толстый слой атмосферы прежде чем достигнут земли, т.к. лучи падают по касательной к Земле. Также более высокие координаты широт имеют аналогичный эффект.

Из УФ области приведённого графика видно, что атмосфера поглощает более половины ультрафиолетового света, в основном благодаря тонкому озоновому слою (O3 в нижнем левом углу графика). Если двигаться правее по графику, то в видимой области спектра атмосфера задерживает более четверти солнечного света, двигаясь дальше по графику увидим, что из инфракрасной области атмосфера “забирает” несколько больших кусков излучения. Такие большие куски, отсутствующие в ИК области, являются результатом того, что газы в атмосфере поглощают специфические полосы энергии солнечного света.

Видимая область спектра

Если мы отдельно рассмотрим только видимую область солнечного спектра, то обнаружим, что эта область состоит из красивой радуги цветов, как видно из картинки ниже.

Видим, что видимый свет состоит из 7 основных цветов, двигаемся справа налево по спектру: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, фиолетовый. Но эти цвета можно разделить на громадное число оттенков и назвать их как душе угодно.
Многие из вас, наверное, знают еще из садика мнемоническое правило для запоминания цветов радуги: Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан.

Спектр солнечного света, поглощаемого солнечной панелью

Ниже показан спектр, который мы любезно взяли с сайта University of NSW, этот спектр похож спектр солнечного излучения достигающего поверхности земли, только отличие в том, что грязно-зелёным цветом указана часть спектр, который может поглощать кремниевый солнечный элемент и переводить его в электричество.

У этого графика есть небольшая неточность, которая заключается в том, что согласно ему

49% поглощаемого солнечного света преобразовывается в электричество. На сегодняшний день максимальная эффективность кремниевых солнечных батарей составляет 23%, что более чем в 2 раза меньше, чем из графика. Поэтому ниже показан немного дополненных график, в котором фиолетовым цветом отметили поглощение, соответствующее КПД современных солнечных панелей. (Примечание: горизонтальный участок спектра в диапазоне 500-1100нм – это исключительно предполагаемый вид спектра).

Как вы можете увидеть из левой области графика солнечных панели могут поглощать и преобразовывать часть ультрафиолетовых лучей и эта часть становится немного больше по мере движения в видимую область. Из графика также отчётливо видно, что солнечные панели значительную часть электричества получается из фотонов видимой области солнечного спектра.

В отличие от УФ-области, в инфракрасной части спектра видим вертикальный провал в поглощении или можно сказать отсечку на длине волны 1100нм. Такая отсечка в поглощении связана с тем, что длина волны света становится больше размеров атома кремния и волны просто проходят на сквозь. Те есть кремний становится прозрачным для длины волны 1100нм и выше.

Многопереходные солнечные элементы

Многопереходные или солнечные элементы из нескольких p-n-переходов – это по сути несколько солнечных элементов объединённых в один, каждая часть из которого ориентирована на поглощение определённой части солнечного спектра. На графике ниже (справа) показан спектр поглощения такого солнечного элемента, разными цветами показы области поглощения, за которые отвечают разные p-n-переходы солнечного элемента. Слева показа структура многопереходного солнечного элемента.

Источник фото: Википедия (https://en.wikipedia.org/wiki/Multi-junction_solar_cell)

При обычном солнечном свете КПД таких элементов может достигать 35% и более, а при концентрированном солнечном свете – более 45%. Однако, ввиду дороговизны таких солнечных панелей они они не подходят для использования на крышах домов, а вместо этого используются, в основном, на космических аппаратах, а также специализированных солнечных проектах и исследованиях.

Ультрафиолетовых панелей не существует

На сегодняшний день кремниевые солнечные батареи составляют более 97% мирового производства солнечных панелей. Остальная часть – это почти полностью теллуридно-кадмиевые тонкопленочные панели, производимые, например, такими компаниями, как First Solar. Этот тип панелей использует чуть больше инфракрасного излучения, чем кремниевые, но приблизительно в таком же количестве преобразовывают излучение из УФ области.

В настоящее время учёные работают над тем, чтобы увеличить использование УФ области спектра солнечными панелями. Несмотря на этом, все доступные в настоящий момент солнечные панели – это, во-первых панели видимого света, во-вторых, панели инфракрасного света и только самая малая треть – ультрафиолетовые панели. Как мы выяснили, это связано с тем, что на Землю попадает очень мало УФ-излучения, поэтому соотношение вряд ли изменится. Если какой-либо продавец солнечных панелей говорит, что у него есть ультрафиолетовые панели, то здесь одно из двух, либо он просто пытается обмануть вас, либо просто не понимает о чём говорит.

Мощность и эффективность – вот что на самом деле имеет значение при выборе панели

Поскольку ультрафиолет составляет лишь малую часть энергии в солнечном свете, поэтому количество используемого ультрафиолета в солнечной панели не будет сильно влиять на её конечную производительность. При прочих равных, чем больше солнечная батарея поглощает УФ, тем немного больше её выходная мощность и эффективность, и этими цифрами вы можете оперировать если сравниваете различные панели, но нужно ставить во главу угла то, сколько та или иная панель поглощает ультрафиолет.

Источник