На деньги Министерства энергетики США учёные из Лехайского университета (штат Пенсильвания) создали материал для солнечных панелей с невообразимой эффективностью. Благодаря разработке новые панели смогут вырабатывать до двух электронов на каждый поглощённый высокоэнергетический фотон, что намного выше теоретически предсказанного значения.

Источник изображения: Ekuma Lab/ Lehigh University

Следует подчеркнуть, что привычное значение КПД панелей и внешняя квантовая эффективность фотоэлектрического материала — это не одно и то же. При падении на панель часть фотонов отражается, а другая часть нагревает панель вместо возбуждения электронов. Тем самым теоретическое значение внешней квантовой эффективности (EQE) не может быть больше 100 %, на что указывает предел Шокли-Квиссера, а КПД панелей ещё меньше. Но что это за наука, если она не может шагнуть за пределы известного?

«Эта работа представляет собой значительный скачок вперёд в нашем понимании и разработке решений в области устойчивой энергетики, подчеркивая инновационные подходы, которые могут переопределить эффективность и доступность солнечной энергии в ближайшем будущем», — сказал Чинеду Экума (Chinedu Ekuma), профессор физики, который является ведущим автором статьи в журнале Science Advances.

Поиск нужной комбинации материалов сначала был проведён с помощью моделирования на компьютере. Затем, на основе полученных данных, был создан прототип, подтвердивший удивительные свойства материала. Образец в качестве активного слоя в кремниевой фотоэлектрической ячейки продемонстрировал среднее фотоэлектрическое поглощение в 80 %, высокую скорость генерации фотовозбуждённых носителей и внешнюю квантовую эффективность (EQE) на беспрецедентном уровне 190 %.

Скачок эффективности материала во многом объясняется его отличительными «состояниями промежуточной зоны», специфическими уровнями энергии, которые расположены в электронной структуре материала таким образом, что делают их идеальными для преобразования солнечной энергии. Эти состояния имеют уровни энергии в пределах оптимальных энергетических диапазонов, в которых материал может эффективно поглощать солнечный свет и производить носители заряда — около 0,78 и 1,26 эВ (электрон-вольт). Кроме того, материал особенно хорошо проявил себя при высоких уровнях поглощения в инфракрасной и видимой областях электромагнитного спектра.

В традиционных солнечных элементах максимальное значение EQE составляет 100 %, что соответствует генерации и сбору одного электрона на каждый поглощенный фотон солнечного света. Новый материал, как и ряд других перспективных материалов, продемонстрировал способность генерировать и собирать более одного электрона из фотонов высокой энергии, что обеспечивает увеличение теоретически возможного КПД панелей до двух и более раз.

Хотя такие материалы с многократным генерированием экситонов еще не получили широкого коммерческого распространения, они обладают потенциалом для значительного повышения эффективности систем солнечной энергетики. В материале, разработанном исследователями Лехайского университета, состояния промежуточной зоны позволяют улавливать энергию фотонов, которая теряется традиционными солнечными элементами, в том числе за счет отражения и выработки тепла.

Исследователи разработали новый материал с использованием «ван-дер-ваальсовых зазоров», атомарно малых промежутков между слоистыми двумерными материалами. Эти промежутки могут удерживать молекулы или ионы, и материаловеды обычно используют их для вставки или «интеркалирования» других элементов для настройки свойств материала. По сути в этих зазорах различные межмолекулярные силы, определяемые как силы Ван-дер-Ваальса, крепко удерживают нужные молекулы или атомы, как в случае нового материала. В частности, учёные поместили между селенидом германия (GeSe) и сульфидом олова (SnS) атомы меди нулевой валентности.

«Его быстрый отклик и повышенная эффективность убедительно указывают на потенциал Cu-интеркалированного GeSe/SnS в качестве квантового материала для использования в передовых фотоэлектрических решениях, предлагая возможности для повышения эффективности преобразования солнечной энергии, — говорят разработчики. — Это многообещающий кандидат для разработки высокоэффективных солнечных элементов следующего поколения, которые сыграют решающую роль в удовлетворении глобальных потребностей в энергии».

Учёные Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) в США провели исследования почти на 2500 объектах по выработке электричества от солнечного света. Несмотря на опасения, большинство фотоэлектрических систем за годы работы испытали минимальный ущерб от кратковременных экстремальных погодных условий и показали скромную деградацию, что обещает приблизить переход на возобновляемые источники энергии.

Контроль качества солнечных панелей. Источник изображения: PVEL

Изучению подверглись коммерческие и коммунальные солнечные электростанции по всей территории Соединенных Штатов, развёрнутые в период с 2008 по 2022 год. Были получены данные от 25 тыс. инверторов из 37 штатов. Исследования охватили почти 8 ГВт фотоэлектрических мощностей со средним временем эксплуатации 5 лет. С учётом того, что в 2022 году в США было чуть больше 100 ГВт установленной мощности солнечных электростанций, учёные изучили определённо меньше 10 % от работающих систем. Однако для качественной статистики этого вполне достаточно.

Исследователи выяснили, что в среднем производительность фотопанелей снижается на 0,75 % в год, что соответствует аналогичным значениям, о которых сообщалось в предыдущих исследованиях. Анализ показал, что системы в зонах с более высокой температурой демонстрируют вдвое большую потерю производительности, чем системы в более прохладном климате: на 0,88 % в год и 0,48 % в год соответственно. В целом, в 90 % исследованных систем потери производительности составляли менее 2 % в год.

«Во-первых, это показывает, что наш парк фотоэлектрических систем в целом не выходит из строя катастрофически, а, скорее, деградирует скромными темпами в пределах ожиданий, — сообщили учёные. — Важно, чтобы мы как можно точнее определили этот показатель, потому что это небольшое, но ощутимое число используется почти во всех финансовых соглашениях, которые финансируют солнечные проекты, и обеспечивает важнейшие рекомендации для отрасли».

Краткосрочное воздействие экстремальных погодных условий, таких как наводнения, сильные ветры, град, лесные пожары и молнии, в большинстве исследованных фотоэлектрических систем было минимальным. Средняя продолжительность отключения после экстремального погодного явления составила два–четыре дня, что привело к снижению среднегодовых показателей выработки на 1 %.

В общей сложности в 12 системах из 6400 произошли отключения на две недели и более. Большинство отключений произошло из-за наводнений и дождей, за которыми последовали порывы ветра. В большинстве систем из набора данных произошел только один сбой, связанный с погодой.

Критическими для выживания солнечных электростанций погодные условия возникли бы в случае увеличения градин свыше 25 мм, скорости ветра более 90 км/ч и снежного покрова более 1 м. При таких условиях солнечные панели чаще бы выходили из строя, на что должны обратить внимание производители фотопанелей, если они хотят повысить надёжность своей продукции.

«Мы не считаем, что какой-либо из этих анализов свидетельствует о том, что фотоэлектрические системы ненадежны или особенно уязвимы к экстремальным погодным условиям. Фотоэлектрические системы продемонстрировали, что они могут обеспечивать резервное питание и спасать жизни, когда окружающая инфраструктура повреждена экстремальными погодными явлениями, — сказал исследователь NREL Дирк Джордан. — Тем не менее, есть дальнейшие меры, которые мы можем предпринять для улучшения качества оборудования и особенно передовых методов установки для повышения устойчивости к этим погодным явлениям».

В целом исследование показало, что при переходе к возобновляемой энергетике на солнечные панели можно положиться. Однако хотелось бы обратить внимание на такой факт, как ускоренная деградация солнечных панелей после 10 лет эксплуатации, что не отражено в работе учёных из США, но фиксируется исследователями в других странах.

Новые технологии умного остекления пока не стали массовым явлением в современной архитектуре. Пожалуй, больше всего новостей приходит из Австралии, где даже зимой много солнца. Умное остекление оконных проёмов позволит экономить на охлаждении и отоплении зданий, а также оно способно вырабатывать электрическую энергию, совершенно не поглощая видимого света.

Источник изображения: Hayball Architects

Как сообщает австралийская ClearVue Technologies, архитектурное бюро Hayball Architects выбрало умные окна компании для остекления шестиэтажного здания, которое будет построено для одного из крупнейших австралийских профсоюзов CFMEU. По некоторым оценкам, пропускающие обычный свет умные окна помогут снизить энергопотребление здания на отопление и охлаждение до 70 %.

По всей площади стёкол в стеклопакете BIPV нанесено некое нанопокрытие, которое переотражает инфракрасные и ультрафиолетовые лучи в солнечном спектре в сторону кромки окон, где размещены солнечные панели, чувствительные к этим диапазонам. Видимый свет проникает в помещение и создаёт там обычное комфортное для людей освещение.

Благодаря своей структуре умные стёкла остаются чуть холоднее по отношению к окружающему воздуху, чем обычное стекло (на 3,5 °C днём). Это позволяет меньше тратить на кондиционирование воздуха в помещении, не говоря о том, что окна сами вырабатывают электричество.

Умные стёкла BIPV размещены в левом проёме. Источник изображения: ClearVue Technologies

Здание для профсоюза будет строиться в Мельбурне. Производством стекла, по-видимому, будет заниматься местная компания Melbourne Safety Glass. Стоимость проекта составит 12 млн австралийских долларов ($8 млн). Начинание может стать хорошей рекламой умному остеклению. Эта и подобные технологии давно рвутся в жизнь.

На выставке CES 2024 компания 3M представила «защитную коммуникационную гарнитуру» PELTOR WS ALERT XPV с запатентованной технологией подзарядки от встроенных в оголовье солнечных батарей. В партнёрстве со шведской технологической компанией Exeger производителю удалось оптимизировать тонкоплёночные солнечные элементы Powerfoyle для зарядки батареи. Правда, пока неясно, достаточно ли эффективна технология, чтобы полностью обойтись без розетки.

Источник изображения: 3M

Необходимо отметить, что, хотя 3M и не позиционирует свою гарнитуру, как игровую, технические характеристики представленного устройства вполне соответствуют уровню современных игровых моделей. Устройство 3M оснащено возможностью беспроводного подключения через Bluetooth, микрофоном с шумоподавлением и технологией «нажми и слушай» при помощи встроенных в корпус внешних микрофонов.

К недостаткам новой гарнитуры можно отнести разве что излишнюю громоздкость, но это вполне компенсируется качеством звука и высоким уровнем громкости. И конечно, использование Bluetooth вместо выделенного беспроводного канала потенциально может привести к задержкам звука.

Технология солнечных батарей развивается довольно быстрыми темпами, и уже сегодня можно увидеть на рынке примеры её реализации в периферийных устройствах для ПК, например, компания Logitech представила на рынке клавиатуры с питанием от солнечной энергии ещё в 2010 году.

Учитывая продолжающиеся достижения в области портативности и производительности солнечных панелей и рост энергоэффективности устройств, можно предположить, что и более энергоёмкая периферия может стать полностью независящей от проводов и зарядных устройств. А если вспомнить, что некоторые беспроводные гарнитуры, например, HyperX Cloud Alpha Wireless, уже способны обеспечить до 300 часов автономной работы без подзарядки, то подобная перспектива представляется делом ближайшего будущего.

Проведённый компанией Wood Mackenzie анализ мирового рынка производства солнечных панелей показал, что стоимость производства фотоэлементов в Китае рекордно снизилась. В совокупности с другими особенностями китайской экономики низкая цена на фотопанели привела к тому, что производители в США и в Европе перестали быть для Китая конкурентами на этом рынке и вряд ли станут ими в будущем.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

«Китай является производителем самых дешёвых солнечных модулей в мире. Подсчёты цен на солнечные модули в долларах за ватт, сделанные в декабре, показывают, что удельная стоимость солнечных модулей в Китае составляет $0,15, что значительно ниже производственных показателей Индии ($0,22), Европы ($0,30) и США ($0,40)», — сказал Стивен Нелл (Steven Knell), вице-президент Wood Mackenzie и эксперт по энергетике и возобновляемым источникам энергии.

В 2023 году стоимость производства солнечных модулей в Китае снизилась на 42 %. Цена в $0,15 за ватт стала настолько низкой на рынке, что никто в мире больше не может составить конкуренцию китайским производителям фотопанелей. За год китайские компании удвоили выпуск солнечных панелей по сравнению с совокупными показателями производства фотопанелей в США и Европе. Тем самым в Китае сегодня сосредоточено 80 % мировых мощностей по выпуску этой продукции.

«Огромное преимущество Китая подразумевает, что усилия международных конкурентов по вытеснению китайских компаний из цепочек поставок [в сфере энергетики] из возобновляемых источников вполне могут оказаться тщетными. Перспективы появления доступных компонентов на рынке обнадёживают, учитывая текущую гонку мощностей, но конкуренты Китая вряд ли выиграют в ценовой войне. Китай уже выиграл гонку мощностей в области зелёных технологий», — заявил Кнелл в интервью DW.

Самое интересное, что анализ показал незначительную зависимость стоимости производства фотопанелей в Китае от стоимости рабочей силы.

«Исследование фотоэлектрической промышленности в США и Китае показывает, что доминирование Китая в производстве солнечных панелей обусловлено не столько более дешёвой рабочей силой и государственной поддержкой, сколько более масштабным производством и вытекающими из этого преимуществами для цепочки поставок», — сказал Кнелл.

Это же подтвердило исследование, проведённое учёными NREL и MIT. Доминирующим фактором стали масштабы производства солнечных панелей в Китае, дополнительно обеспеченные доступом к инвестиционному капиталу и менее строгой деловой и нормативной средой. Теоретически многое из этого можно воспроизвести в США и в Европе. За одним исключением — достичь «китайских» масштабов производства солнечных панелей в Европе и США представляется маловероятным, что заставляет прийти к заключению, что Китай никто из них уже не догонит.

Похоже, заключают эксперты, централизованный государственный капитализм в Китае даёт определенные преимущества для развития того или иного сектора экономики и промышленности.

Компания Sharp поделилась новостью о создании тандемного солнечного элемента из полупроводниковых материалов, КПД которого достигло мирового рекорда — 33,66 %. Что важно, этот показатель установлен для солнечной панели практической ценности площадью 775 см². В планах Sharp устанавливать такие панели на электромобили и другие мобильные платформы, чтобы солнечный свет увеличивал пробег.

Источник изображений: Sharp

Чтобы солнечная ячейка работала эффективнее, её создают многослойной, чтобы каждый слой поглощал свет в своём диапазоне. Такие ячейки называют тандемными, и в них обычно кремний чередуется с перовскитами или с полупроводниками из III или V групп таблицы Менделеева. Копания Sharp не использует перовскиты, хотя они показали себя предельно перспективными для солнечных элементов. Исследователи Sharp занимаются полупроводниками и добились в этом впечатляющих успехов.

В прошлом году трёхпереходный тандемный элемент Sharp, по свидетельству AIST (Национального института передовой промышленной науки и технологии Японии), установил мировой рекорд эффективности, показав КПД на уровне 32,65 %. Новый элемент лишился одного перехода и стал формально двухпереходным, что увеличило приток света к нижележащему кремниевому слою и позволило увеличить КПД до нового рекордного значения в 33,66 %.

Хитрость заключается в том, что верхний слой представлен составным и фактически двухпереходным элементом из индия/галлия/фосфора и арсенида галлия. Проще говоря, Sharp заменила два перехода из полупроводников одним составным. За счёт этого ячейки стали на треть тоньше, что тоже важно для массового производства — они будут определённо дешевле ячеек, содержащих стек из трёх переходов.

Компания Panasonic сообщила, что первой в мире начинает долгосрочные демонстрационные испытания фотоэлектрического стекла на основе перовскита в окнах жилого дома. Испытания в «умном» городе Фудзисава продлятся до конца следующего года. Фотоэлектрические стёкла Panasonic будут вырабатывать электроэнергию и при этом оставаться прозрачными либо тонированными.

Источник изображений: Panasonic

Фотоэлектрические окна защитят от перебоев с поставками электричества, что обычно происходит во время частых в Японии стихийных бедствий, а также обеспечат экологически чистое снабжение энергией жилых помещений и офисов. Представленные компанией стёкла с функцией выработки электроэнергии приблизились к этапу массового производства в 2020 году, когда Panasonic анонсировала эту разработку.

По словам Panasonic, её фотоэлектрические стёкла на основе перовскита обладают самым высоким в мире КПД для солнечных фотоэлементов такого рода, который достигает 17,9 % для элементов площадью более 800 см². По показателю КПД тонкие и лёгкие перовскитные стёкла компании приближаются к кремниевым солнечным панелям, но имеют такие преимущества, как прозрачность и очень малый вес.

На практике будет испытано достаточно небольшая площадь остекления. В экспериментальном доме компания застеклит «фотостёклами» одну лоджию с окнами на юго-восток. Размеры остекления составят 3876 мм в ширину и 950 мм в высоту.

Добавим, фотоэлектрические стёкла Panasonic производятся методом струйной печати с использованием лазеров для гравировки. В этом одно из главных преимуществ перовскитных соединений — они легко растворяются до состояния чернил для промышленных струйных принтеров. А струйное производство дешевле, доступнее и чище традиционных техпроцессов с травлением, которое сопровождает обработку кремниевых подложек для обычных фотопанелей.

Молодая швейцарская компания Dhp Technology предлагает использовать разрабатываемые ею раздвижные солнечные панели в составе навесов для стоянок большегрузного транспорта, одновременно направляя полученную от солнца электроэнергию на пополнение заряда тяговых батарей электромобилей. В случае климатических неурядиц вроде града «гармошка» из солнечных батарей может складываться.

Источник изображения: Dhp Technology

По информации Electrek, в качестве пилотного проекта такие навесы из солнечных батарей будут развёрнуты над 45 стоянками транспорта возле автомобильных трасс в двух районах Швейцарии. У такой складной солнечной крыши есть собственное имя — HORIZON, она обладает гораздо меньшей массой по сравнению с традиционными солнечными панелями с использованием стекла. Для раскладывания и складывания панелей этого типа используются канаты и ролики, поднятые на высоту до 6 метров от земли. Расстояния между наземными опорами могут быть достаточно большими, что позволяет экономить парковочные места.

Управляющая электроника, как сообщается, сама следит за погодными условиями, и если сильный ветер, град или снег угрожают солнечным панелям, то они временно складываются. При этом эффективности солнечных панелей в составе крыши HORIZON вполне хватает для того, чтобы вырабатывать приличное количество электроэнергии в зимнее время года.

Энергетическая компания Aventron, которая входит в один с Dhp Technology консорциум, собирается установить такие раздвижные солнечные панели на 45 стоянках грузового транспорта в двух районах Швейцарии. Получаемое электричество планируется направить преимущественно на зарядку электромобилей, хотя и окрестным домовладениям в случае появления излишков что-то может перепасть. В совокупности панели над 45 стоянками смогут выдавать до 35 мегаватт электроэнергии. Установка панелей начнётся в следующем году, а в строй все 45 объектов будут введены в 2027 году.

Японская химическая компания Sekisui Chemical объявила о строительстве производства для серийного выпуска гнущихся перовскитных солнечных панелей. Новинка обещает более скромные, чем в случае с кремниевыми панелями, сроки эксплуатации и КПД, но зато они лёгкие и гибкие, что расширит сферу использования солнечных панелей.

Источник изображения: Takako Fujiu / asia.nikkei.com

Ранее компания объявила о совместном с японским IT-гигантом NTT Data проекте по облицовке центров по обработке данных гибкими перовскитными солнечными панелями. Производитель выпускает панели шириной 30 см и в будущем намерен перейти на выпуск панелей шириной 1 метр.

В сообщении на сайте asia.nikkei.com говорится, что срок эксплуатации гибких панелей окажется сравнительно небольшим — всего 10 лет, тогда как традиционные кремниевые панели должны выдерживать до 25 лет без существенного снижения эффективности. Малый срок службы перовскитных панелей объясняется высокой чувствительностью материала к влаге. В новинке используется испытанная временем технология влагоизоляции, которая была отработана на производстве жидкокристаллических панелей, и со временем она будет улучшена, чтобы панели из перовскита работали ещё дольше.

Эффективность первых массовых перовскитных гибких солнечных фотоэлементов Sekisui Chemical будет на уровне 15 %, что как минимум на 5 % ниже показателей у кремниевых фотопанелей. Этот недостаток будет компенсировать гибкость, которая обычному кремнию недоступна.

В новое производство Sekisui Chemical вложит более 10 млрд иен ($68 млн). Планируемый годовой объём производства составит «несколько сотен тысяч квадратных метров к 2030 году» — этого будет достаточно для обеспечения энергией примерно 4 тыс. домохозяйств. Откровенно говоря, это скромно, но необычно. Стоит напомнить, что власти Японии начали программы субсидирования отраслей, занятых в разработке и производстве солнечных панелей. Это должно помочь снизить зависимость от Китая в данной сфере.

Американская компания Revkor и немецкая H2 Gemini сообщили о планах в течение года создать в США крупнейшее в мире производство перовскитных солнечных панелей. Первый комплекс мощностью 5 ГВт в год начнёт выпускать продукцию во втором квартале 2024 года. На полную мощность предприятие выйдет к концу 2025 года с объёмом 20 ГВт панелей в год. Это будет самое передовое производство солнечных панелей в мире, что отражает стремление США быть первыми в этой отрасли.

Цех будущего завода в представлении художника. Источник изображения: Revkor

Партнёры уже строят первую производственную площадку площадью около 93 тыс. м². Также начались работы по строительству исследовательского корпуса аналогичной площади. Работы ведутся в штате Юта в окрестностях Солт-Лейк-Сити, что позволяет рассчитывать на финансовые льготы и субсидии от властей города и штата.

Важно отметить, что немецкий производитель оборудования — компания H2 Gemini — передаст американской стороне секреты производства и технологии, что позволит на базе производства продолжить научно-исследовательские работы по совершенствованию перовскитных солнечных панелей, графена и ряда других материалов и процессов.

Сравнение структуры современных солнечных ячеек и HJT

Также компания Revkor приобрела у компании Suzhou Maxwell Technology лицензию на использование в Северной Америке и на Ближнем Востоке техпроцессов производства солнечных панелей с гетеропереходом (HJT). Тем самым новые панели будут сочетать все самые передовые технологии в солнечной фотовольтаике — перовскит и HJT. В теории они будут иметь КПД заметно выше 22 %, на чём остановились массовые кремниевые фотоячейки.

Вклад компании H2 Gemini в совместное предприятие будет сделан технологиями, промышленным оборудованием и в виде управления процессами по установке и запуску производства. Компания Revkor берёт на себя строительство, что также потребует несколько миллиардов долларов вложений. Часть средств Revkor надеется вернуть благодаря новым инфраструктурным инициативам властей США, в частности, по Закону об инфраструктуре и Закону о чипах и науке (CHIPS Act).

Диаграмма вариантов производства солнечных ячеек (действующих и перспективных)

Преимущества перовскитных солнечных панелей, напомним, заключается в сравнительно простых процессах изготовления. Например, они могут выпускаться с применением струйных технологий. Технология гетеропереходов, в свою очередь, также упрощает производство за счёт снижения числа технологических операций и благодаря низкотемпературному процессу. Но всё это требует совершенно нового производственного оборудования, что пока крайне затратно и до конца не изучено на практике.

Hyundai Motor рассказала о шести разработанных нанотехнологиях, способных повлиять на развитие транспорта будущего — спектр их применения простирается от машин с автопилотом до программно определяемых автомобилей.

Источник изображения: Hyundai Motor Group

Первым новым наноматериалом от Hyundai Motor стало самовосстанавливающееся полимерное покрытие, позволяющее удалять царапины и отталкивать воду с поверхности камер и лидаров на беспилотных автомобилях. При комнатной температуре материал восстанавливается за два часа, а при -10 °C процесс занимает около суток. В серийном производстве технология начнёт применяться в 2025–2026 гг. Вторая нанотехнология связана с первой: полимерное покрытие масляных капсул позволяет уменьшить трение и износ автодеталей — эффективность этого решения на 50 % выше, по сравнению с аналогами других разработчиков. Эта технология дебютирует в серийных машинах Hyundai и Kia уже в текущем году.

Третья нанотехнология представляет собой солнечную перовскитную солнечную батарею, которая поглощает до 10 раз больше солнечного света по сравнению с кремниевой. Четвёртым решением стал так называемый тандемный солнечный элемент, сочетающий перовскит и кремний и предлагающий более высокую 30-% эффективность, чем кремниевые или перовскитные элементы по отдельности. Установка таких элементов на крышах, капоте и дверях электромобиля добавит машине от 20 до 40 км запаса хода.

Пятая технология — устанавливаемый на сиденьях сенсор давления на основе углеродных нанотрубок. Он позволит экономить 140 Вт электроэнергии и предлагает дополнительные функции: измерение дыхательного ритма и частоты сердечных сокращений. Технология имеет значительный потенциал не только в автопроме, но и в отрасли здравоохранения. Наконец, последней инновацией стала охлаждающая плёнка, предназначенная для нанесения на окна автомобилей — этот компонент позволяет уменьшить внутреннюю температуру на 6,89 °C ниже, чем существующие аналоги.

Двусторонняя солнечная батарея, разработанная в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США (NREL), улавливает отражённый солнечный свет, попадающий на обратную часть устройства. Обратная сторона этой перовскитной панели обеспечивает более 90 % от эффективности лицевой стороны. Этот новый подход может расширить возможности солнечных панелей по генерированию энергии сверх их теоретического предела.

Источник изображения: Pixabay

Классические технологии солнечных элементов, в которых в качестве полупроводникового материала используется кремний, имеют коэффициент полезного действия около 26 %, что выше 23 %, достигнутых в лабораторных испытаниях на передней стороне новой панели. Но в двухсторонней панели обратная сторона генерирует дополнительное количество электроэнергии с эффективностью около 91–93 % по сравнению с передней, что увеличивает отдачу батареи на 20 %.

В последние годы перовскит (титанат кальция — CaTiO₃) стал ключевым фактором в развитии солнечных элементов, установив новые рекорды эффективности и открыв новые пути для создания технологий следующего поколения. Тандемные кремний-перовскитные солнечные элементы достигли измеренной в лаборатории эффективности более 30 %, а их теоретический предел намного выше, чем у чисто кремниевых элементов.

Быстрый прогресс в разработке привёл к тому, что уже две компании объявили о начале коммерческого выпуска панелей следующего поколения. Производство двусторонних солнечных панелей обойдётся дороже, чем односторонних модулей, однако их способность производить больше энергии может со временем сделать их более экономически выгодными.

Развёртывание солнечных ферм — это инвестиции в будущее. Эффект от немалых вложений в солнечные фермы проявит себя через многие-многие годы. И тем более досадно, что производители дают весьма завышенные оценки продолжительности эффективной работы солнечных панелей. Как показало новое исследование, в своей массе современные солнечные панели вырабатывают свой ресурс гораздо быстрее заявленных 25 лет.

Измерение вольт-амперных характеристик фотопанели от одного из производителей в исследовании. Источник изображения: Energy Conversion and Management

В статье в журнале Energy Conversion and Management группа учёных из Ганы исследовала 48 солнечных панелей от 12 производителей. Фотопанели были отобраны по 4 штуки от каждого бренда методом стратифицированной случайной выборки с ферм, проработавших в одинаковых условиях от 5 до 9 лет даже без частичного затенения. Все панели, уточним, это массовые недорогие фотоэлементы из поликристаллического кремния. У более дорогих фотопанелей из монокристаллического кремния результат, вероятно, будет лучше, но за редкостью использования они пока не могут формировать статистику. Также следует учитывать, что в Гане, где была проверена скорость деградации поликристаллических фотопанелей, жаркий и одновременно влажный климат, что могло сказаться на сокращении срока службы солнечных панелей.

В целом оказалось, что фотопанели 11 производителей деградировали настолько быстро, что они выйдут из строя раньше 20 лет эксплуатации, не говоря об обещанных 25 годах гарантированной работы. Фотопанели 12-го производителя в целом деградировали в соответствии с заявленными характеристиками и могут считаться надёжными, хотя исследователи не могут утверждать о характеристиках иных партий фотопанелей этого производства. Поэтому, в частности, имена компаний-производителей фотопанелей держатся в секрете. Без глобального исследования было бы опрометчиво ругать одних и хвалить других.

В исследовании участвовали образцы фотопанелей мощностью от 100 до 460 Вт. Во-первых, сначала был проведён визуальный осмотр образцов согласно методике, разработанной Национальной лабораторией возобновляемой энергии Министерства энергетики США (NREL). После этого каждая панель была проверена в работе с помощью тестера PV210 компании Seaward.

Тестирование показало, что минимальная скорость деградации анализируемых модулей составила 0,79 % в год, а максимальная — 1,67 % в год. Скорость деградации модулей была разная: в диапазоне 0,78–1,95 % в год при средней и медианной скорости деградации 1,36 % в год и 1,38 % в год.

Фотопанели только одного производителя деградировали менее чем на 0,8 % в год, в то время как модули остальных производителей деградировали более чем на 1,0 % в год. Это означает, что панели могут выйти из строя гораздо раньше 20 лет эксплуатации. Шесть модулей из 48, скорее всего, проработают больше 20 лет и только четыре — заявленные производителем 25 лет. При этом учёные отметили, что скорость деградации не зависела от возраста модулей. Одинаково быстро деградировали как более «молодые» панели, так и более «старые».

В своей статье учёные подчеркнули, что по имеющимся у них данным, подобная скорость деградации поликристаллических солнечных панелей замечена исследователями в других странах. Было бы неплохо внести ясность в этот вопрос.

Учёные из Университета Пенсильвании создают солнечные элементы из нетипичного материала — из условно двумерных дихалькогенидов переходных металлов (TMDC). Эти материалы обладают сравнительно низкой эффективностью преобразования света в электричество, но они в сто раз легче современных кремниевых фотопанелей. Для космоса малый вес — это решающее преимущество. Но над панелями из ДПМ ещё предстоит поработать.

Источник изображения: Pixabay

Толщина ДПМ-плёнки не больше нескольких атомов. Это на несколько порядков тоньше, чем слой кремния или арсенида галлия в современных фотопанелях. Это позволит сделать солнечные ячейки из ДПМ в сто или более раз легче. Для расширения присутствия человека в космосе — на орбите, лунах и других планетах — вес транспортируемых с Земли грузов будет иметь критическое значение. Придёт время, и от кремния в космической энергетике придётся отказаться. И тогда, уверены исследователи, настанет звёздный час лёгких фотопанелей из дихалькогенидов переходных металлов.

Впрочем, у ДПМ-материалов есть существенный недостаток. Все созданные до сегодняшнего дня образцы фотоэлементов на их основе демонстрировали КПД не выше 5 %. В пересчёте на вес это всё равно лучше, чем у кремния, но в идеальном случае КПД перспективного материала необходимо повышать, что, например, можно делать путём оптимизации структуры фотоячейки. Именно этим занялись учёные из Университета Пенсильвании и добились ощутимого успеха — предложили структуру ДПМ-ячейки с КПД 12 %.

Следует уточнить, что заявленный КПД достигнут на цифровой модели фотоэлемента. Исследователи решили начать не с опытов, а с моделирования, в чём есть определённый смысл — так дешевле и быстрее. Но на базе цифровой модели и выработанных методик, уверены специалисты, они или их коллеги смогут в ближайшие четыре–пять лет представить физические образцы солнечных элементов из дихалькогенидов переходных металлов с КПД не менее 10 %.

Источник изображения: Device

Секрет разработки, о которой учёные рассказали в свежем номере журнала Device, кроется в многослойной структуре элемента (плёнка на плёнке, когда начинают работать многочисленные переотражения фотонов), а также в конструкции электродов, которая позволяет эффективно управлять экситонами — главными действующими элементами двумерных ДПМ-структур. Но всё это пока на бумаге. Ждём практической реализации.

Компания SolarBotanic Trees представила металлические деревья с семиметровой кроной, которые будут улавливать солнечную энергию через нанофотоэлектрические «листья» и хранить её в аккумуляторе, размещённом в стволе дерева. Накопленную электроэнергию предполагается использовать для зарядки электромобилей (EV). Недавно компания завершила создание первичного прототипа и теперь собирается построить и испытать полноразмерную версию. Коммерческое производство деревьев намечено на конец года.

Источник изображений: SolarBotanic

«В Великобритании существует огромный дефицит (зарядной) инфраструктуры, поэтому мы стремимся работать рука об руку с поставщиками инфраструктуры EV» — говорит Крис Шелли (Chris Shelley), генеральный директор SolarBotanic Trees. Ряд компаний уже предлагают навесы с солнечными батареями, которые располагаются над парковочными местами, однако они «эстетически непривлекательны». Солнечные деревья, ранее представленные в сингапурском парке Gardens by the Bay и в павильоне устойчивого развития на выставке Expo 2020 Dubai, могут предложить именно это. Помимо прочего, такие деревья занимают меньше места, поэтому их легче разместить в общественных местах.

Стоимость одного дерева SolarBotanic ожидается в пределах от 18 000 до 25 000 фунтов стерлингов ($22 000 — 30 000), что значительно больше, чем у обычных солнечных батарей. Мощность зарядки от дерева составит пять киловатт, что типично для стандартной зарядной станции. При такой мощности зарядка автомобиля с 50-киловаттной батареей с 20 до 80% займёт почти семь часов. «Такая скорость зарядного пункта больше подходит для тех случаев, когда автомобиль простаивает в течение длительного времени» — говорит Рейчел Свитек (Rachel Swiatek), руководитель программы по транспорту в EST. Стартап также планирует разработать более компактную и доступную версию дерева на 3,2 киловатта, которая, будет стоить от 10 000 до 15 000 фунтов стерлингов ($12 000 — 18 000). Эта модель подойдёт для университетских кампусов, торговых центров и других мест.

Каждое дерево получит систему хранения энергии и управления питанием, управляемую искусственным интеллектом, которая объединит несколько деревьев в локальные микросети или подключит дерево к общей сети, чтобы избыток произведённой энергии мог быть возвращён в сеть. Также дерево сможет отдавать энергию ночью или в тёмные зимние дни, когда нет солнечного света, подключаясь к электросети. Чтобы уменьшить зависимость от сети, стартап планирует интегрировать в ствол дерева систему аккумуляторов, чтобы избыток энергии в дневное время сохранялся для использования ночью.

SolarBotanic Trees уже привлекла 340 000 фунтов стерлингов ($420 000) и собирается начать раунд финансирования в конце года после испытаний полномасштабного прототипа. К 2025 году компания хочет создавать не менее 1000 устройств в год. Первые солнечные деревья будут установлены в Великобритании, а затем в Европе и Северной Америке.