Группа южнокорейских учёных создала эластичные фотоэлектрические ячейки, которые в буквальном смысле можно натянуть на глобус. Если серьёзно, разработка найдёт применение в носимой электронике и робототехнике, поскольку может растягиваться до 40 % от своего первоначального размера и при этом обладает впечатляющим для эластичных фотопанелей КПД на уровне 19 %.

Источник изображения: KAIST / Joule

Эластичный фотоэлемент создали в Корейском институте передовых технологий (KAIST) на кафедре химической и биомолекулярной инженерии (CBE) под руководством профессора Бумджуна Кима (Bumjoon Kim). Работа об исследовании была опубликована в одном из декабрьских номеров журнала Joule.

Разработчики отметили, что в связи с быстрым ростом рынка носимых электрических устройств гибкие солнечные элементы, способные одновременно работать и растягиваться, привлекают значительное внимание в качестве источника энергии. Подобные фотоэлементы уже предлагаются учёными коллективами, но их КПД оставляет желать лучшего. Группа профессора Кима нашла решение и сообщает, что добилась наивысшей эффективности среди конкурирующих эластичных солнечных элементов.

С помощью химического связывания учёные совместили полимер с высокой степенью растяжимости с электропроводящим полимером с превосходными электрическими свойствами. Получился проводящий полимер высочайшей эластичности. Он выступил с роли подложки, на которою нанесли солнечные элементы из органического материала. Получившийся гибкий фотоэлемент показал КПД 19 % и способность растягиваться в 10 раз сильнее, чем существующие аналоги. Фактически фотоэлемент оказался способен увеличивать свою длину на 40 % и при этом продолжал оставаться в рабочем состоянии.

Профессор Ким сказал: «Благодаря этому исследованию мы не только разработали самый высокоэффективный в мире растягивающийся органический солнечный элемент, но также важно, что мы разработали новый полимер, который может быть применим в качестве основного материала для различных электронных устройств, который должен быть податливым и/или эластичным».

В будущем стёкла с регулируемой прозрачностью станут необходимым элементом любого здания. И чем раньше будут разработаны такие стёкла с доступной стоимостью, тем скорее настанет этот момент. Китайские учёные пошли ещё дальше — они разработали стёкла, которые не только сами меняют прозрачность, но также сами себя обеспечивают питанием за счёт солнечных лучей.

Источник изображения: Henan University

В одном прототипе исследователи из Хэнаньского университета объединили солнечную генерацию на основе тонкопленочных фотоэлементов из кестерита (CZTSSe) и электрохромное стекло на основе биметаллического оксида никеля-кобальта (NiCoO₂). Представленный прототип не только реализует интеграцию функций самопитания и интеллектуальной регулировки уровня пропускания солнечного излучения, но и расширяет свои возможности до хранения энергии.

Учёные создали солнечный элемент на основе стеклянной подложки, покрытой молибденом (Mo), поглотителем из кестерита, буферным слоем на основе сульфида кадмия (CdS), слоем оксида цинка (ZnO), слоем оксида индия-олова (ITO), осаждённого методом магнетронного распыления, и с металлическими контактами из серебра (Ag).

Для получения электрохромных пленок NiCoO₂ для окон использовалась простая технология химического осаждения из ванны (CBD). Благодаря пористой структуре нанохлопьев и синергетическому эффекту взаимодействия никеля и кобальта, пленки NiCoO₂ и электрохромные «умные» окна на их основе показали отличные электрохимические, электрохромные и энергосберегающие характеристики.

Для накопления энергии в стекле в него была интегрирована плёнка оксида титан (TiO₂). Она одновременно характеризуется отличными электрохромными свойствами (меняет прозрачность и (или) цвет при подаче электричества) и свойствами накапливать ионы.

При испытаниях в стандартных условиях освещённости подготовленное таким образом стекло (окно) показало энергопотребление 318,3 мВт·ч/м² и общую эффективность 2,15 %, что, по мнению специалистов, сопоставимо с большинством разработанных на сегодняшний день окон с поддержкой фотовольтаики.

«В частности, благодаря пористой структуре массивов нанохлопьев и биметаллическому синергетическому эффекту электрохромные пленки NiCoO₂ демонстрируют большую оптическую модуляцию, высокую скорость переключения, исключительную электрохромную стабильность, а также отличную скоростную способность», — пояснили разработчики. Иначе говоря, новые стёкла быстро меняли прозрачность в широком диапазоне пропускания света и удерживали её уровень длительное время. При этом тонировка стёкол была нейтральная, что будет приветствоваться большинством пользователей (обычно она различных оттенков).

Учёные подчёркивают, что главной своей задачей они видели использование минерала кастерита для производства умных стёкол. Он доступен, легко синтезируется из широко распространённых химических элементов и поэтому идеален для массового внедрения. Они продолжат работать над проектом, чтобы улучшить КПД стёкол и отработать массовое производство, хотя не обещают прийти к этому в сжатые сроки. Но возможность модулировать свето- и теплопередачу в помещении, одновременно вырабатывая энергию за счет фотоэлектрических элементов, несомненно является заманчивой для дальнейшей работ над этим направлением.

Международная группа учёных во главе с китайскими академиками разработала технологию производства гибких фотоэлектрических панелей из обычного кристаллического кремния. Ранее присущая кремнию хрупкость не позволяла мечтать о подобном, заставляя учёных искать гибкость в перовскитах и сложных химических соединениях. Теперь же отказ от экзотики сэкономит средства и позволит быстро внедрить новинку в носимой и другой электронике.

Источник изображения: Nature

О перспективной разработке учёные из Шаньянского института микросистем и информационных технологий (SIMIT), китайского Университета Tongwei (TW), Университета науки и технологий Чанша, Юго-Западного нефтяного университета, Университета Сухоу и Университета Бэйхан сообщили в статье, опубликованной в журнале Nature. Работе предшествовало тщательное изучение поведения обычных кристаллических фотоэлектрических ячеек под физической нагрузкой. Детальное изучение процессов образования трещин в материале позволило выявить слабые места и устранить их.

Оказалось, что под физической нагрузкой на изгиб трещины в солнечных ячейках из кристаллического кремния начинают образовываться в районе кромки. В профиль структура материала в таких местах напоминает зигзаг с острыми пиками и впадинами. Уточним, речь идёт о так называемых гетеропереходных солнечных ячейках, когда кристаллический кремний обволакивается с обеих сторон тонкоплёночным слоем аморфного кремния. Такая конструкция повышает КПД. В то же время в структуре ячейки появляются зигзагообразные переходы от одного материала к другому.

Учёные догадались сгладить острые переходы в материале, придав пикам и впадинам U-образную форму. Для этого потребовалось разработать специальный техпроцесс, и он был испытан на реальном производстве. Испытания показали, что изменение структуры кремния только в кромке фотоячейки резко повышает прочность кристаллического кремния на изгиб. При этом по всей рабочей поверхности ячейки материал не подвергался изменению, что позволяет удержать КПД ячейки почти на прежнем уровне.

Эффективность изготовленной новым способом гибкой гетеропереходной солнечной ячейки оказалась на уровне 23,3 %. Дополнительное нанесение на ячейку антибликового покрытия на основе фторида магния (MgF₂) повысило её КПД до 24,50 %. Для сравнения, эффективность классической «толстой» гетеропереходной солнечной ячейки достигает 25,83 %. Новинка потеряла совсем немного, но приобрела гибкость — качество, востребованное для производства носимой электроники, аэрокосмических солнечных элементов и, в целом, для массы нужд в солнечной энергетике, где присущая кремнию жёсткость зачастую мешала внедрению.

Наконец, предложенная технология производства позволит сэкономить на кремнии и сделать фотоэлектрические ячейки из кристаллического кремния дешевле, что также будет означать снижение стоимости выработки электроэнергии этими ячейками.

В новой статье в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells учёные НИТУ МИСИС представили промышленные прототипы перовскитных солнечных элементов с рекордным КПД при разном сочетании цветов света — 36,1 %. Это позволит с одинаковой средней эффективностью вырабатывать электричество как от Солнца, так и от любых искусственных источников света. Технология готова к промышленному внедрению и ждёт своего заказчика.

Источник изображений: НИТУ МИСИС

Подчеркнём, уникальность предложенного решения в способности вырабатывать электричество с максимальной эффективностью при произвольном сочетании цветов в спектре. Это может быть ранее утро, слепящий полдень или закатные лучи. Также новому элементу без разницы, какие лампы светят в помещении: светодиодные или люминесцентные — во всех случаях его КПД будет, возможно, не рекордным, но определённо выше, чем у аналогов.

Исследователи из Университета науки и технологий МИСИС изготовили прототип перовскитного солнечного элемента с повышенным содержание брома, который оказался в 2,5 раза эффективнее кремния в условиях разного сочетании цветов света. При «тёплом» освещении созданный учёными материал показал максимальный возможный на данный момент коэффициент полезного действия (КПД) для перовскитной фотовольтаики — 36,1 %.

«Перовскит с повышенным содержанием брома крайне эффективно преобразует цвета различных цветовых температур в электроэнергию при так называемом горячем освещении (1700 Кельвин). Бром, в данном случае, помогает сдвигать край спектра поглощения в область высокоэнергетических фотонов», — рассказала соавтор работы, инженер лаборатории Перспективной солнечной энергетики Университета МИСИС Нигина Талбанова.

Основной точкой приложения новой разработки исследователи считают выработку электроэнергии в помещениях. Там спектр всегда случайный и разноплановый. Датчики для «умного» дома вполне подходят для оснащения подобными фотоэлементами. К тому же, перовскит легко наносится на гибкую основу, включая пластик. И самое главное, разработка готова к промышленному масштабированию. С научными прорывами такое бывает довольно редко.

Четыре месяца назад учёные из Германии установили очередной рекорд по эффективности тандемных солнечных элементов с перовскитом, создав ячейку с КПД 32,5 %. Сегодня их обошли учёные из Саудовской Аравии. Группа инженеров из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы (KAUST) изготовила перовскитно-кремниевый солнечный элемент с эффективностью 33,2 %, что подтвердили в ESTI и внесли в реестр рекордов NREL.

Источник изображения: KAUST

Сегодня рынок заполняют обычные солнечные ячейки из кристаллического кремния с КПД 20–22 %. Очевидно, что для достижения глобальных целей в возобновляемой энергетике этого недостаточно. Эффективность солнечных элементов должна быть выше, чтобы электрическая энергия, добываемая с помощью Солнца, оказалась хотя бы отдалённо сравнима по стоимости с «ископаемой» энергетикой. Такие элементы могут быть созданы из пары кремний-перовскит, когда каждый элемент эффективно поглощает волны своей длины. Ожидается, что рынок подобных тандемных элементов достигнет к 2032 году стоимости около $10 млрд.

Созданный исследователями KAUST тандемный солнечный элемент сочетает в себе верхние элементы из перовскита на промышленно совместимых нижних элементах из кремния с двухсторонней текстурой. Верхний слой перовскита лучше всего поглощает синий свет, в то время как кремниевая основа лучше всего поглощает красный свет. Более того, авторы разработки утверждают, что они не только создали самый эффективный тандемный кремний-перовскитный элемент, но также превзошли солнечные элементы с двумя p-n переходами, в которых не используется концентрированный солнечный свет.

На новом этапе команда разработчиков будет изучать возможность масштабировать производство тандемных ячеек до площадей свыше 240 см², а также намерена создать и сертифицировать тандемные ячейки, которые прошли бы критические промышленные испытания стабильности. Перовскит, как известно, не отличается стабильностью в полевых условиях и для массового использования необходимы технологии его защиты от влаги и, в целом, от атмосферного воздействия.

Международная команда физиков под руководством китайских учёных сделала неожиданное открытие. Давно известный искусственный заменитель бриллиантов — титанат стронция (SrTiO₃) — показал неожиданный эффект при облучении его светом. Этот материал с квантовыми свойствами в ответ на луч света определённой интенсивности возбудил неожиданно сильный и когерентный вторичный пучок электронов. Эффект не укладывается в современную теорию и ждёт объяснения.

Источник изображения: Pixabay

Общепринятую сегодня фотоэлектрическую теорию создал в начале прошлого века Альберт Эйнштейн. За её разработку он получил Нобелевскую премию по физике в 1921 году. Эта теория, в частности, математически описывает фотоэффект, что сегодня широко используется во множестве областей науки, производства, энергогенерации и жизни. Физики из Университета Вестлейк в Ханчжоу вместе с коллегами из США, Японии и Финляндии показали, что эта теория может быть неполной и содержать массу скрытых возможностей, о чём они сообщили в журнале Nature.

В процессе облучения подложки из титаната стронция фотонами с несколькими значениями энергий в диапазоне 10 эВ (электрон-вольт) учёные смогли получить «очень интенсивную когерентную вторичную фотоэмиссию», более сильную, чем когда-либо прежде. Если точнее, вторичная эмиссия электронного пучка была на порядок мощнее, чем это допускает теория и устоявшаяся за 60 лет практика, то есть с тех пор, как был открыт этот материал.

«Это большое дело, потому что в нашем существующем понимании фотоэмиссии нет механизма, который мог бы произвести такой эффект, — сказал один из ведущих авторов исследования. — Другими словами, в настоящее время у нас нет никакой теории для этого, так что в этом смысле это чудесный прорыв».

Более того, вторичная эмиссия электронов представляла собой когерентный пучок — согласованный выброс электронов по углу и скорости. Это может оказаться перспективным направлением для создания новых медицинских и научных приборов, например, для визуализации скрытых объектов. Наконец, мощные электронные пучки остаются основой рентгеновских лазеров, а это тоже движение вперёд в науке, медицине и биотехнологиях.