Сферическая солнечная батарея в вакууме

Одним из подходов, позволяющих увеличить КПД солнечных батарей, является придание им искривлённой формы, которая помогает собрать больше солнечных лучей. Пока не очень эффективные, но при этом полностью самостоятельно меняющие форму миниатюрные кремниевые ячейки научились делать исследователи под руководством Ральфа Нуццо (Ralph Nuzzo) из университета Иллинойса.

Чтобы повысить КПД солнечных батарей, многие фирмы создают сложные системы слежения за солнцем, разворачивающие комплексы к светилу, специальные оптические концентраторы и много чего ещё. Учёные из Иллинойса предлагают своё решение: миниатюрные сферические фотоэлектрические преобразователи, которые улавливают больше света, нежели их плоские собратья. Особое достижение химиков в том, что до них мало кому удавалось придать материалам солнечных батарей такую форму.

Для создания своего детища учёные использовали методы фотолитографии и самосборки. Всё начинается с плоской тонкой плёнки кремния высокого качества, нанесённой на подложку из SiO₂. При помощи литографии ей придают определённую форму (для последующей сборки сферы — форму цветка) и кислотой «снимают» с основы.

Затем в центр цветка помещается капля воды. Когда она высыхает, капиллярные силы подтягивают лепестки вверх, и формируется шар. Чтобы сохранить его форму, сверху наносится стеклянное покрытие, которое «склеивает» лепестки.

Схема процесса образования сферического солнечного элемента и фотография полученного объекта при большом увеличении, от высшей точки «купола» идёт серебряный проводок. (Иллюстрация и фото Ralph Nuzzo.)

Как нетрудно догадаться, управлять получающейся формой непросто. Американцы не хотели идти методом проб и ошибок и построили математическую модель, которая предсказывала поведение и механические свойства кремниевых плёнок различных по форме и толщине. Подробнее о ней рассказывается в статье, опубликованной в открытом доступе в PNAS.

Что же касается использования сфер в качестве солнечных батарей, то такая возможность появилась после того, как плёнки были покрыты проводящим соединением. После самосборки сферы к ней также были прикреплены электрические контакты.

Треугольные (A) и квадратные (B, C) кремниевые пластины (толщина 1,25 микрометра), складывающиеся в разные фигуры по мере высыхания капли воды (сверху вниз). (Фото Ralph Nuzzo.)

Пока миниатюрные устройства преобразуют в энергию лишь 1% падающего света. Это мало для солнечной батареи в целом, но много если пересчитывать в стоимость исходных материалов (то есть то же количество кремния в обычных батареях даст меньший КПД).

В будущем, если удастся повысить эффективность ячеек до приемлемых значений (например, используя антиотражающее или рельефное нанопокрытие), из них можно будет собирать многомерные массивы, которые не будут уступать нынешним чемпионам по сбору световой энергии, но при этом окажутся дешевле.

Американские исследователи также отмечают, что их разработка может применяться не только для кремниевых пластин и создания новых форм солнечных батарей. Новый метод самосборки пригодится и в других областях техники.

Между прочим, активно продвигаются исследования фотоэлектрических преобразователей на органической основе, уже показывающих неплохой КПД. Солнечная энергетика продолжает наращивать номенклатуру солнечных батарей, и вряд ли найдется много современных проектов энергоэффективных зданий, которые бы не получали выгоду от использования энергии солнечных лучей.

www.membrana.ru