Попкорн и рекордный кпд солнечных элементов

Университет Вашингтона недавно добился нового прорыва в солнечной энергетике. Как ни забавно описание данной технологии, она обещает принести серьезную выгоду. Изучая различные конфигурации солнечных элементов, ученые обнаружили, что принцип шарика из попкорна — маленькие сферы, склеенные в большие пористые шары — увеличивает эффективность дешевых солнечных элементов почти в два раза.

Такой выдающийся результат приводится в докладе, представленном на национальном съезде Американского химического общества в Нью-Орлеане. Годжун Цао, руководитель исследования и профессор материаловедения и инженерии в Университете Вашингтона, утверждает, что технология «может привести к значительному прогрессу в солнечных элементах, сенсибилизированных красителем».

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы известны еще с 1991 года. Их преимущество в гибкости, дешевизне и легкости изготовления в сравнении с хрупкими кремниевыми солнечными элементами. Исследования в области сенсибилизированных красителем элементов большое внимание уделяют шероховатым поверхностям. Достигнута эффективность примерно в 10% от поглощенной элементом солнечной энергии. Такая эффективность почти в два раза меньше, чем у традиционных кремниевых солнечных элементов, которые мы встречаем на крышах и в калькуляторах, но вполне конкурентоспособна, учитывая низкую стоимость.

Вместо того, чтобы пытаться максимально увеличить эффективность хорошо исследованных однородных шероховатых поверхностей, ученые из Университета Вашингтона сравнили с ними различные комкообразные модели. Одной из дилемм, с которыми столкнулись исследователи, был размер зерна. Бóльшие зерна, по размеру приближенные к длине волны видимого спектра, заставляют свет многократно отскакивать внутри тонкой светопоглощающей поверхности, тем самым увеличивая вероятность его поглощения. С другой стороны, у меньших зерен лучше отношение поверхности к объему, что увеличивает поглощение.

«Хочется уменьшить гранулы, чтобы увеличить площадь поверхности, — объясняет Цао, — но если позволить свету отразиться несколько раз, то больше шансов уловить энергию».

Другие исследователи безуспешно пытались увеличить коэффициент полезного действия, смешивая маленькие и большие зерна. Вместо этого ученые из Вашингтона взяли маленькие 15-нанометровые гранулы и слепили их в 300-нанометровые агломераты, сделав большие гранулы из маленьких — нечто наподобие шариков из попкорна микроскопического размера.

Каждый грамм материала обладает невероятной поверхностной площадью в 93 кв. м на грамм, покрытой светопоглощающим пигментом. Благодаря сложному устройству большие шары «захватывают» свет, что существенно увеличивает поглощаемость. Исследователи были удивлены своим успехом, который, по их словам, превзошел их самые смелые ожидания.

300-нм шарик вблизи. Он состоит из 15-нм зерен. University of Washington

Общий кпд составил 2,4% только для малых гранул, самый большой на сегодняшний день кпд для материала (существуют более эффективные материалы, отсюда и 10% в коммерческих разработках). Дизайн по типу попкорнового шарика показал кпд в 6,2% — т.е. кпд вырос на 258 процентов. Как утверждает Цао, «самое важное открытие — это то, насколько увеличивается кпд при таком уникальном подходе».

Миллионы шариков составляют слой солнечного элемента. University of Washington

В качестве пигмента исследователи использовали оксид цинка, который менее эффективен, чем коммерчески используемый оксид титана, но более удобный для экспериментов. Слои из оксида титана должны предположительно продемонстрировать такой же рост эффективности. «Сначала мы хотели доказать концепцию на более простом материале, — говорит Цао. — теперь мы работаем над переносом концепции на оксид титана».

Тонкая (около 10 микрометров толщиной) светопоглощающая поверхность из оксида цинка, состоящая из «попкорновых шариков» на снимке, сделанном РЭМ. University of Washington

Рекордный кпд для элементов на основе оксида титана составляет на данный момент 11%, и исследователи надеются, что новый метод позволит превзойти этот давнишний рекорд, а может быть даже и превзойти кпд кремниевых элементов. Это сделает кремниевые элементы, которые использовались десятилетиями, устаревшими и приведет к замене их более дешевыми, более эффективными гибкими элементами.