Солнечные элементы крайне важны для энергетики будущего.

Исследователи из Центра Нанотехнологии и Молекулярных Материалов (Center for Nanotechnology and Molecular Materials) университета Вейк Форест (Wake Forest University) объявили, что они увеличили эффективность пластмассовых солнечных элементов до 6 процентов.

В работе, которая будет опубликована в следующем выпуске журнала Applied Physics Letters, исследователи описывают, как они достигли рекордной эффективности для органических, гибких, пластмассовых солнечных элементов, создавая «нанонити» внутри легкой абсорбирующей пластмассы, подобно прожилкам в листьях дерева. Это позволяет использовать более толстые абсорбирующие слои в устройствах, которые захватывают больше солнечного света.

Доктор Дживен Лиу, исследователь Центра нанотехнологии и молекулярных материалов университета Вейк Форест тестирует новый солнечный элемент в лаборатории центра в Винстон-Сэлем (Winston-Salem), Северная Каролина (NC).

Чрезвычайно желательно создать эффективные пластмассовые солнечные элементы, потому что они недороги и легки, особенно по сравнению с традиционными кремниевыми солнечными батареями. Традиционные панели солнечных батарей являются тяжелыми и большими и преобразовывают около 12 процентов света в полезную электроэнергию. Исследователи работали в течение многих лет, чтобы создать гибкие органические солнечные элементы, которые могут быть обернуты вокруг поверхностей, свернуты или даже нанесены на что-то.

Три процента были самой высокой эффективностью, когда-либо достигнутой для пластмассовых солнечных элементов до 2005, когда Дэвид Кэрролл (David Carroll), директор Центра нанотехнологии и молекулярных материалов университета Вейк Форест и его исследовательская группа не объявил, что они близки к достижению 5-процентной эффективности. Теперь, немного более года спустя, Кэрролл сказал, что его группа преодолела 6-процентную отметку.

«В течение только двух лет мы удвоили 3-процентный результат, — сказал Кэрролл. — Я ожидаю увидеть достижение более высоких чисел эффективности в течение следующих двух лет, которые могут сделать пластмассовые устройства рентабельными.» Чтобы стать коммерческой технологией, солнечные элементы должны быть в состоянии преобразовать приблизительно 8 процентов энергии солнечного света в электричество. «Исследователи центра надеются достигнуть 10 процентов в следующем году,» — сказал Кэрролл.

Поскольку они гибкие и с ними легко работать, пластмассовые солнечные элементы могли бы использоваться как черепица крыши или сайдинг домов или включаться в традиционные фасады здания. Эти собирающие энергию устройства можно было бы использовать и в автомобилях. Так как пластмассовые солнечные элементы намного легче, чем кремниевые солнечные батареи, нет необходимости в укрепляющих конструкциях для поддержки дополнительного веса.

Большая часть исследований группы Кэрролла финансируется Воздушными силами Соединенных Штатов, которых интересует создание более эффективных, легких солнечных элементов для спутников и космических кораблей. Другие члены исследовательской группы Кэрролла: Дживен Лиу (Jiwen Liu), Манодж Намбоасири (Manoj Namboothiry) и Кюнгконе Ким (Kyungkon Kim).

www.nanonewsnet.ru 8 мая 2007 г.

Джуд Реди держит образец трехмерных солнечных элементов.

В новом дизайне солнечных элементов используются башни «нано-Манхэттана» из углеродных нанотрубок.

Уникальные трехмерные солнечные элементы, которые захватывают почти весь падающий свет, смогли повысить эффективность фотоэлектрических (ФЭ) систем, одновременно уменьшая их размер, вес и механическую сложность.

Новые трехмерные солнечные элементы захватывают фотоны солнечного света, используя множество миниатюрных «башен», которые напоминают высотные здания на городской улице. Элементы могут в ближайшее время найти использование на космическом корабле и позволят улучшить эффективность фотогальванических покрытий, что даст возможность работы в широком диапазоне применений.

“Наша цель состоит в том, чтобы собрать каждый фотон, который падает на наши элементы, — сказал Джуд Реди, старший инженер-исследователь из Лаборатории электрооптических систем Технологического исследовательского института Джорджии (GTRI).— Захватывая больше света в наших трехмерных структурах, мы можем использовать намного меньшие фотогальванические системы. Для спутника или другого космического корабля это означает, что понадобится меньше веса и места.”

Трехмерный дизайн был описан в мартовском выпуске 2007 журнала JOM. На технологию подан патент. Фотогальванические элементы GTRI заманивают в ловушку свет между «башнями», которые составляют приблизительно 100 мкм в высоту, площадью 40 мкм на 40 мкм и 10 мкм между — и построены из миллионов вертикальных углеродных нанотрубок. Обычные плоские солнечные элементы отражают существенную часть света, который падает на них, уменьшая количество поглощенной энергии.

Поперечное сечение «башни» из углеродных нанотрубок демонстрирует слой покрывающего материала.

Поскольку «башни» могут поглощать свет, падающий под многими различными углами, новые элементы остаются эффективными даже в рассеянном и отраженном свете. Это позволит их использовать на космическом корабле без механических систем прицеливания, которые поддерживают постоянную ориентацию к солнцу, уменьшая вес и сложность — и улучшая надежность.

“Эффективность наших элементов увеличивается, когда солнечный свет перестает падать перпендикулярно, таким образом мы, возможно, не нуждаемся в механических частях, чтобы вращать наши элементы,” — отметил Реди.

Способность трехмерных элементов поглощать фактически весь свет, который падает на них, также позволяет усовершенствовать эффективность, с которой элементы преобразовывают фотоны в электрический ток.

В обычных плоских солнечных элементах фотогальванические покрытия должны быть достаточно толстыми, чтобы захватить фотоны, энергия которых тогда освобождает электроны фотоэлектрических материалов, создавая электрический ток. Однако каждый покинувший свое место электрон оставляет позади «дырку» в атомной решетке. Чем большее расстояние требуется электрону, чтобы выйти из материала ФЭ, тем более вероятно, что он рекомбинирует с другой дыркой, уменьшая электрический ток.

Поскольку трехмерные элементы поглощают больше фотонов, чем обычные, они могут быть сделаны более тонкими, позволяя электронам быстрее покидать материал, уменьшая вероятность рекомбинации. Это повышает “квантовую эффективность” — отношение поглощенных фотонов к освобожденным электронам.

Изготовление элементов начинается с кремниевой подложки, которая может также служить нижним электродом солнечного элемента. Исследователи сначала покрывают подложку тонким слоем железа, используя процесс фотолитографии, который может создать широкое разнообразие шаблонов. После шаблонную подложку помещают в печь, нагретую до 780 градусов Цельсия. Затем запускают газообразные углеводороды, которые разлагаются на углерод и водород. В процессе, известном как химическое разложение пара, на железной подложке вырастает множество многостенных углеродных нанотрубок.

После того как углеродные «башни» выращены, исследователи используют процесс, известный как молекулярная пучковая эпитаксия, чтобы покрыть их теллуридом кадмия (CdTe) и сульфид кадмия (CdS), которые служат донорным и акцепторным слоем. Сверху все покрвается тонким слоем окиси индия и олова, проводящего материала, который служит верхним электродом элемента.

В законченных элементах углеродные нанотрубки служат и как поддержка трехмерным массивам, и как проводник, соединяющий ФЭ материалы с кремниевой подложкой.

Исследователи использовали для опытных образцов кадмий, потому что работали с ним ранее. Но выбор налучшего материала для определенных применений будет целью будущих исследований. Реди также хочет изучить оптимальные высоты и промежутки для башен и определить компромисс между промежутками и углом, под которым падает свет.

А пока изобретение ждет свого коммерческого использования.

www.nanonewsnet.ru 7 мая, 2007