НОВОСТИ ЗЕЛЁНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Стоимость солнечной электроэнергии во многих частях мира начинает достигать паритета цен с электроэнергией, произведенной из более дешёвого ископаемого топлива. Но на источник чистой энергии по-прежнему приходится чуть более 1% мирового совокупного производства электроэнергии.

Для стимулирования глобальной солнечной энергетики, исследователи должны преодолеть некоторые из технологических ограничений, которые мешают дальнейшему развитию этой отрасли. Одно из этих ограничений — неспособность разработать достаточно высокоэффективные солнечные батареи, которые смогут преобразовывать значительное количество солнечного света в полезную электрическую энергию при очень низких затратах.

Группа исследователей из института Masdar и Массачусетского технологического института (MIT), возможно, нашли способ обойти, казалось бы непреодолимый барьер высокой эффективности и высокой стоимости путём использования инновационного мульти-соединения солнечных батарей, уникального «step-cell» подхода к проектированию и невысокую стоимость кремниевых элементов. Новые ступенчатые ячейки (step-cell) сочетают в себе два различных слоя материалов, поглощающих солнечный свет, чтобы собрать более широкий спектр солнечной энергии, и новый недорогой производственный процесс.

Концепция ступенчатых ячеек может достигать теоретической эффективности выше 40% при ожидаемом практическом КПД 35%. Это побудило главных исследователей доктора Аммар Нифе (Ammar Nayfeh) института Masdar, доцента кафедры электротехники и вычислительной техники MIT д-ра Юджейн Фитцджеральда (Eugene Fitzgerald), профессора материаловедения и инженерии MIT Мертона Флемминга (Merton C. Flemings) запланировать создание компании с целью коммерциализировать многообещающий фотоэлемент.

Доктор Юджейн Фитцджеральд запустил несколько коммерческих проектов, в том числе AmberWave Systems Corporation, Paradigm Research LLC, и 4Power LLC. Профессор считает, что ступенчатые ячейки могут быть готовы для рынка фотоэлектрики (PV) в течение следующего года или двух.

Для увеличения глобальной доли солнечной энергетики, солнечной фотоэлектрике нужно отойти от традиционных кремниевых кристаллических солнечных элементов, которые рекламируются как золотой стандарт в отрасли с точки зрения эффективности в течение более десяти лет. На самом деле, по некоторым оценкам, более 90% глобальных солнечных установок являются однопереходными кристаллическими кремниевыми солнечными элементами.

Это происходит потому, что солнечные батареи на основе кремния относительно дёшевы в изготовлении, но проблема состоит в том, что они не очень эффективны в преобразовании солнечного света в электричество. В среднем, солнечные панели, изготовленные из солнечных элементов на основе кремния преобразуют от 15% до 20% солнечной энергии в полезную электроэнергию. Низкая фотоэлектрическая эффективность кремния обусловлена, частично, его шириной запрещённой зоны. Ширина запрещенной зоны полупроводника препятствует эффективному преобразованию фотонов более высокой энергии, испускаемые в голубом, зёлном и жёлтом диапазонах спектра световых волн, в электрическую энергию. Вместо этого, только фотоны с более низкой энергией, испускаемые в красном диапазоне спектра световых волн, эффективно преобразуются в электрическую энергию.

Для того, чтобы использовать солнечные фотоны с более высокой энергией, ученые исследуют различные полупроводниковые материалы, такие как арсенид галлия (GaAs) и фосфид галлия (GaP). В то время как эти полупроводниковые приборы достигли более высокой эффективность, чем кремниевые, солнечные батареи наивысшей эффективности были сделаны наслоением различных полупроводниковых материалов поверх друг друга и точной настройкой для поглощения другой части спектра электромагнитных волн.

Эти слоистые ячейки, известные как мульти-плоскостные солнечные элементы, могут достигать теоретической эффективности свыше 50%. Но очень высокие производственные затраты мешают их попаданию на основной рынок солнечных батарей, смещая в узкоспециализированные ниши такие, как спутники, где высокие затраты менее важны, чем малый вес и высокая эффективность.

Ступенчатые ячейки (step-cell) института Masdar, которые могут быть изготовлены за долю от стоимости традиционных мульти-плоскостных солнечных батарей могут стать критическим решением, необходимым для выведения высокоэффективных мульти-плоскостных солнечных элементов на промышленный уровень и их коммерческого развития.

Инновационные ступенчатые ячейки изготовлены наслоением на базовые солнечные ячейки арсенида-фосфида галлия (GaAs1-xPx) — полупроводникового материала, который поглощает и эффективно преобразует более высокие энергии фотонов на относительно недорогих кремниевых солнечных батареях. Созданный таким образом тандем солнечных элементов способный, в конечном итоге, достичь практической эффективности преобразования примерно в 35%.

Ступенчатая ячейка создает буквально «ступеньку» между верхним слоем арсенида фосфида галлия и нижним слоем кремния. Слой кремния открывается, появляясь, как нижняя ступенька. Этот намеренный конструктивный шаг позволяет верхнему арсениду-фосфида галлия (GaAs1-xPx) абсорбировать фотоны высокой энергии (синего, зеленого и желтого спектра), предоставляя нижнему слою кремния, поглотить не только фотоны более низкой энергии (красного спектра), передаваемого через верхние слои, но также и весь видимый спектр.

Уникальная конструкция гарантирует, что нижележащая ячейка кремния, может получить больше фотонов в облучённой части «ступеньки», повышая эффективность солнечной ячейки. Эта «ступенька» может быть использована в качестве нового параметра оптимизации конструкции с дополнительными преимуществами дешёвого производственного процесса.

«Мы поняли, что, когда верхний слой арсенида-фосфида галлия полностью покрывал нижний слой кремния, нижние фотоны были поглощены кремний—германием (Si1−xGex) подложки, на которой арсенид-фосфид галлия выращивается и, таким образом, солнечная батарея имела намного более низкую эффективность» — объяснила Сабина Абдул Хади (Sabina Abdul Hadi), аспирант Института Masdar, чья докторская диссертация обеспечила основополагающие исследования для ступенчатых ячеек. «Вытравливая верхний слой и обнажая часть слоя кремния мы смогли значительно повысить эффективность», добавила она. Она была одной из 9 кандидатов аспирантов на получение учёной степень доктора в шестом ежегодном актовом дне института Masdar, который был проведен в начале этого месяца.

Абдул Хади, которая работала под руководством доктора Нифе, провела моделирование на основе результатов эксперимента для определения оптимальных уровней и геометрической конфигурации слоя арсенида-фосфида галлия на кремнии с получением наивысшей эффективности. Её выводы привели команду к первоначальному доказательству концепции солнечного элемента. Абдул Хади будет продолжать поддерживать технологическое развитие ступенчатых ячеек после аспирантуры в качестве научного сотрудник Института Masdar.

«Я очень горжусь тем, чего достигла Сабина во время её аспирантуры. Она идеальный аспирант и её работа включает теоретическое обоснование, моделирование, реализацию идеи и анализа затрат. Мы очень рады, что после защиты докторской она вступит в должность и будет помогать развитию и коммерциализации технологий ступенчатых ячеек», сказал докторар Нифе.

Группа со стороны MIT разработала арсенид-фосфид галлия, путём выращивания полупроводникового сплава на подложке из кремний-германия.

«Арсенид-фосфид галлия не может быть выращен непосредственно на кремнии, так как его кристаллическая решётка значительно отличается от кремния поэтому, кристаллы кремния деградируют. Вот почему мы вырастили арсенида галлия на основе фосфида кремния—германия — это обеспечило более стабильную основу» — объясняет д-р Нифе.

Проблема кремний-германия под слоем арсенида-фосфида галлия в том, что кремний-германий поглощает меньшую энергию световых волн прежде, чем они достигнут нижнего слоя кремния, а кремний-германий не преобразовывает эти низкие энергии световых волн в электрический ток, поскольку он не является активной частью ячеек в этом многопереходном солнечном элементе.

«Чтобы добиться решения оптической задачи, поставленной кремний-германием, мы разработали идею ступенчатой ячейки, что позволяет использовать различные полосы поглощения энергии арсенида галлия и кремния-фосфата» — сказал д-р Нифе.

Объясняя будущий недорогой процесс изготовления доктор Фицджеральд сказал: «Мы вырастили арсенид-фосфид галлия на верхней части кремний-германия, по образцу его оптимизированной геометрической конфигурации и приклеили его к ячейке кремния. Затем мы травились через узорчатые каналы и отрывали кремний-германий от сплава на кремнии. То, что остается после этого и является высокоэффективным тандемом солнечных элементов, а шаблон кремний-германия снова готов для повторного использования.»

Поскольку тандемные ячейки соединены друг с другом, а не создаются в виде монолитного фотоэлемента (где все слои выращены на одной подложке), кремний-германий может быть удален и многократно повторно использован, что существенно снижает затраты на производство.

«Заметим, что один слой арсенида-фосфида галлия действительно может повысить эффективность солнечных батарей, а из-за уникальной способности стравливать кремний-германий и повторно использовать его, стоимость поддерживается на низком уровне, поскольку вы можете окупить эти затраты кремний-германия производством многих ячеек», добавил он.

Результаты исследования группы представлены на 40-й и 42-й ежегодной конференции IEEE PVSC. Работа отмечена, как Лучший стенд на 42-й конференции IEEE PVSC. Кроме того, первоначальная концепция ступенчатой ячейки будет представлен 8 июня 2016 года на 43-м IEEE PVSC в Портленде штата Орегон. Более детальные исследования группы опубликованы в Журнале Прикладной Физики (Journal of Applied Physics) и Фотоэлектрическом Журнале IEEE (IEEE Journal of Photovoltaics).

Доктор Фитцджеральд считает, что ступенчатые ячейки идеально вписываются в существующий разрыв рынка солнечных фотоэлектрических систем, между супервысокой эффективностью (в которой преобладают дорогие фотоэлектрические системы, используемые в спутниках и других специфических областях) и низкой эффективностью серийных моделей. Это способствует их уникальному позиционированию на рынке и по мере увеличения объемов в этом разрыве рынка производственные затраты будут снижаться еще больше с течением времени.

Этот проект был начат в качестве одного из девяти флагманских исследовательских проектов Masdar — MIT, с участием преподавателей и студентов из обоих университетов и которые имеют высокий потенциал.

«Этот исследовательский проект подчеркивает важную роль, которую исследования и международное сотрудничество играют в разработке коммерчески пригодной технологии на основе инноваций. И это прекрасная демонстрация того, как исследовательская идея может превратиться в предпринимательскую реальность» — сказал д-р Нифе.

Новые солнечные батареи «Step» на основе мульти-перехода кремния, разработанные в рамках этого совместного исследовательского проекта, напрямую способствуют развитию высококвалифицированного человеческого капитала и инновационных технологических систем, необходимых знаний для преобразованя топливной экономики ОАЭ.

В два раза больше электроэнергии для той же площади поверхности дают панели солнечных батарей Insolight. Компания, которая базируется в инновационном парке Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL), разработала прототип солнечных батарей с выходом электроэнергии 36,4%, в то время как предлагаемые в настоящее время на рынке решения имеют производительность только около 18—20%. Эти результаты, которые могут представлять собой мировой рекорд, уже были проверены на прототипе Институтом Фраунгофера (Fraunhofer Institute) — независимой лаборатории, базирующейся в Германии.

Как они достигают такой высокой производительности? Прозрачная, плоская и очень тонкая оптическая система, сделанная из пластика направляет солнечные лучи на крошечную площадь поверхности ячеек с очень высокой производительностью. Эти ячейки, которые могут похвастать выходом 42%, состоит из нескольких слоев, которые были специально разработаны для поглощения различных длин волн света. Такие суперячейки стоят очень дорого, поэтому используются только в определённых секторах. Таким образом, вместо того, чтобы работать над увеличением производительности всей солнечной батареи, компания использует линзы для фокусировки световых волн на небольших сегментах суперячеек имеющих площадь всего несколько мм². «Это похоже на душ: вся вода идет вниз в один небольшой слив, нет никакой необходимости покрывать канализацией весь пол душа», говорит Лоран Кюло (Laurent Coulot) генеральный директор проекта.

Суть нововведения заключается в микросистеме слежения (microtracking system), запатентованной компанией проекта, которая захватывает 100% солнечных лучей, независимо от их угла падения. Прозрачная пластина, изготовленная методом литья под давлением, оснащена множеством миллиметровых объективов, которые выступают в качестве небольшой сети увеличительных линз. Они перемещаются на несколько миллиметров в течение дня с помощью металлической рамы. Это небольшое движение, которое происходит в режиме реального времени, как датчик определяет положение солнца, увеличивая производительность. Компания разработала новшество в Лаборатории устройств прикладной фотоники при поддержке одной из программ финансирования EPFL, которые идут на перспективные проекты. Система занимает такое небольшое пространство, что она может быть установлена, как любая панель солнечных батарей. Кристоф Мозер (Christophe Moser) выделил место для команды в своей лаборатории и предоставил им важный опыт, так как он разрабатывает солнечный концентратор для проекта получения водорода с помощью солнечного света. Модули Insolight могут представлять интерес в этой области.

Аналогичные разработки ведутся в нескольких лабораториях по всему миру, но проект EPFL имеет преимущество в том, чтобы быстро производить систему, почти готовую для рынка. «Все компоненты были разработаны с самого начала для лёгкого массового производства», говорит Матье Аккерман (Mathieu Ackermann), технический директор компании. Трое молодых основателей проекта являются выпускниками EPFL. Все они работали в промышленности, прежде чем создавать свои собственные проекты. Они начали конкретизировать свою идею в свободное время, перед созданием своей компании. «Работа в промышленности дал нам понимание того, что нам необходимо для достижения нашей цели,— разработка солнечной батареи, которую можно быстро предоставить на рынок по конкурентоспособной цене».

Учредители убеждены, что их панели солнечных батарей позволят снизить цену за кВт×ч для конечного потребителя. Система, вероятно, будет немного дороже для покупки, «но это будет быстро компенсировано дополнительной электроэнергией, созданной такими панелями», говорит Флориан Герлих (Florian Gerlich), главный операционный директор. «Стоимость панелей солнечных батарей резко снизилась в последние годы, но не достаточно для производства электроэнергии по конкурентоспособной цене», говорит он. «Для систем, установленных в домохозяйствах солнечных панелей приходится менее 20% от общей суммы затрат на установку в Соединенных Штатах в 2015 году. Даже если бы солнечные панели были бесплатны, это не всегда компенсирует стоимость всей системы. В настоящее время большая часть маржи, заработанной разработчиками солнечной энергетики происходит из субсидий. Тем не менее, эти субсидии снижаются».

Объединяя эффективность и простоту установки, основатели проекта надеются изменить положение вещей, делая фотоэлектрические системы конкурентоспособными с электроэнергией, полученной при помощи ископаемых видов топлива. «Insolight разработала новаторскую систему и эти первоначальные прототипы показывают впечатляющую производительность во внешних оценках», говорит Кристоф Балли (Christophe Ballif), директор лаборатории фотогальваники в EPFL. «Они теперь должны проверить пределы своей концепции, показать, как может функционировать система коммерческого размера и доказать экономический потенциал продукта».

Весной этого года команда исследователей из MIT (Massachusetts Institute of Technology) впервые продемонстрировала устройство на основе метода, который позволяет преодолеть теоретически предсказанный для солнечных батарей потолок: количество солнечного света, которое они могут преобразовать в электричество.

Начиная с 1961 было известно, что существует абсолютный теоретический предел энергетической конверсии для традиционных солнечных элементов, называемый пределом Шокли—Квейссера (Shockley—Queisser). Для однослойной ячейки из кремния, используемого для подавляющего большинства современных солнечных панелей, верхний предел составляет около 32%. Также было известно, что существуют некоторые возможности, позволяющие увеличить эту общую эффективность, например, с помощью нескольких слоев ячеек,— метод, который в настоящее время широко изучается, или путем преобразования тепла солнечных фотонов в электричество. Это последний метод, используют устройства, известные как солнечные термофотоэлектрики или STPV, что в настоящее время продемонстрировала команда из MIT.

Полученные результаты представлены в журнале Nature Energy, в работе докторанта David Bierman, профессоров Evelyn Wang, Marin Soljačić и других четырёх учёных.

В то время как все исследования традиционных фотоэлементов сталкиваются с теми же основными теоретическими ограничениями, David Bierman говорит: «с солнечными термофотоэлектриками у вас есть возможность превзойти это». На самом деле, теория предсказывает, что в принципе этот метод, который включает в себя спаривание обычных солнечных элементов с добавленными слоями высокотехнологичных материалов, может более чем в два раза поднять теоретический предел эффективности, что потенциально делает возможным доставлять в два раза больше мощности от данной площади панелей.

«Мы считаем, что эта новая работа является захватывающим продвижением в этой области», говорит Evelyn Wang, «как мы впервые показали, STPV устройство имеет более высокую эффективность солнечно-электрического преобразования по сравнению с базовым фотоэлементом».

В эксперименте учёные использовали относительно низкую эффективность фотоэлементов, так что общая эффективность системы была только 6,8%, но они ясно показали в прямых сопоставлениях улучшения, добавленые системой STPV.

Основной принцип прост: Вместо того, чтобы рассеивать непригодную солнечную энергию в виде тепла в солнечной батарее, вся энергия и тепло сначала поглощаются промежуточным компонентом, до температур, которые позволили бы компоненту начать излучать фотоны. Регулируя материалы и конфигурации этих добавленных слоев, можно излучать фотоны только в виде правильных длин волн света для захвата солнечными батареями. Это повышает эффективность и уменьшает тепло, генерируемое в солнечном элементе.

Экспериментальный термофотоэлектрик

Экспериментальный термофотоэлектрик

Ключ в использовании высокотехнологичных материалов, называемых нанофотонные кристаллы, которые могут быть сделаны специально, чтобы излучать точно определенные длины волн света при нагревании. В данном исследовании нанофотонные кристаллы объединены в систему с вертикально ориентированными углеродными нанотрубками и работают при высокой температуре 1000^oC. После нагрева нанофотонные кристаллы продолжают излучать узкую полосу длин волн света точно соответствующих длинам волн, которые могут захватить и преобразовать в электрический ток соседние фотоэлементы. «Углеродные нанотрубки практически идеальный поглотитель по всему цветовому спектру», говорит David Bierman, что позволяет ему охватить весь солнечный спектр. «Вся энергия фотонов преобразуется в тепло». Затем это вновь образованное тепло излучается в виде света, но, благодаря нанофотонной структуре, преобразуется только в те цвета, которые соответствуют максимальной эффективности фотоэлектрической ячейки.

В процессе работы, этот подход будет использовать обычную систему собирающих линз или зеркал, фокусирующих солнечный свет, чтобы поддерживать высокую температуру. Дополнительный компонент, улучшенный оптический фильтр, пропускающий все желаемые длины волн света в фотоячейки, отражая обратно любые нежелательные длины волн, так как даже этот улучшенный материал не является совершенным в ограничении выбросов. Отраженные длины волны затем повторно поглощаются, помогая поддерживать высокую температуру фотонного кристалла.

Нанофотонные нанотрубки

David Bierman говорит, что такая система может предложить целый ряд преимуществ по сравнению с обычными фотовольтаиками, будь то на основе кремния или других материалов. Тот факт, что фотонное устройство производит эмиссию на основе тепла, а не света означает, что это не затрагивает краткие изменения в окружающей среде такие, как облака, проходящие перед солнцем. В принципе, в сочетании с системой «тепловой кладовой» она может обеспечить использование солнечной энергетики на круглосуточно основе. «Для меня самым большим преимуществом является обещание непрерывной мощности по требованию», говорит David Bierman.

Система использует энергию, которая в противном случае теряется в виде тепла. В дополнение к этому она уменьшит чрезмерное выделение тепла, которое может привести к повреждению некоторых концентрирующих солнечных систем.

Для того чтобы доказать, что метод работает, учёные проводили тесты с использованием фотоэлектрических элементов с компонентами STPV сначала под прямыми солнечными лучами, а затем с полностью блокированным солнцем. Так что только вторичные эмиссии света из фотонного кристалла освещали фотоячейки. Результаты показали, что они полностью соответствовали прогнозированным улучшениям.

«Множество работ в этой области являются доказательством правильности выбранной нами концепции», говорит David Bierman. «Это первый раз, когда мы на самом деле положить что-то между Солнцем и фотоячейкой, чтобы доказать эффективность тепловой системы». Даже с этой относительно простой ранней стадии эксперимента, говорит David Bierman, «мы показали, что только с нашей собственной неоптимизированном геометрии, на самом деле можно было бы преодолеть ограничение Шокли—Квейссера». В принципе, такая система может достичь КПД выше, чем у идеального солнечного элемента.

Следующие шаги включают в себя поиск путей, чтобы сделать большие версии небольшой, лабораторного масштаба экспериментальной установки, а также разработка способов изготовления таких систем в экономическом плане.

Это представляет собой «значительный экспериментальный шаг вперед», говорит Peter Bermel, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Университете Пердью (Purdue University), который не был связан с этой работой. «Насколько мне известно, это новый рекорд для солнечных термофотоэлектриков. С использованием солнечного имитатора, селективного абсорбера, селективного фильтра и фотоэлектрического приемника дано разумное представление о реальной производительности, которая может быть достижима на открытом воздухе». Он добавляет: «Это также показывает, что солнечные термофотоэлектрики могут превысить выработку фотоэлектриков при прямом сравнении одних и тех же фотоячеек, при достаточно высокой входной удельной мощности, предоставляя этот подход к приложениям с использованием концентрированного солнечного света».

Исследователи из Университета штата Мичиган создали полностью прозрачный солнечный концентратор, который может превратить любое окно или лист стекла (например, экран вашего смартфона) в фотоэлектрическую солнечную батарею. В отличие от других «прозрачных» солнечных батарей, этот предмет действительно является прозрачным, как вы можете видеть на фотографиях. По словам Ричарда Лунт (Richard Lunt), который руководил исследованием, команда уверена, что прозрачные панели солнечных батарей могут иметь широкое эффективное применение — от «...высотных зданий с большим количеством окон до любого вида мобильных устройств, которые требует высокого эстетического качества таких, как телефон или устройства чтения электронных книг...».

С научной точки зрения, прозрачная панель солнечных батарей представляет собой некий оксюморон. Солнечные батареи, в частности, генерируют электроэнергию за счет поглощения фотонов (солнечного света) и преобразование их в электроны (электричество). Если материал прозрачен, по определению это означает, что весь свет проходит через него. Вот почему ранее создаваемые прозрачные солнечные элементы на самом деле только были частично прозрачными и в довершение ко всему, они, как правило, отбрасывают радужные тени.

Чтобы обойти это ограничение, исследователи из штата Мичиган используют несколько иную технику для сбора солнечного света. Вместо того, чтобы пытаться создать прозрачный фотоэлектрический элемент (что практически невозможно), они используют прозрачный люминесцентный солнечный концентратор (TLSC).

TLSC состоит из органических солей, которые поглощают определенные невидимые для человеческого глаза длины волн ультрафиолетового и инфракрасного спектра, которые они затем люминесцируют (свечение) в качестве второй длины волны инфракрасного света. Это излучение инфракрасного спектра направляется к краю пластика, где тонкие полоски обычной фотоэлектрической солнечной батареи преобразовают его в электричество.

TLSC Мичигана в настоящее время имеет КПД около 1%, но по мнению команды исследователей можно повысить КПД до 5%. Светонепроницаемые концентраторы (купающие комнату в радужном свете) имеют КПД максимум до 7%. Сами по себе это не большие цифры, но в большем масштабе — каждое окно в жилом доме или офисном здании — цифры можно быстро сложить. Мы, вероятно, не говорим о технологии, которая заставит ваш смартфон или планшет работает на неопределенный срок, однако замена дисплея вашего устройства на TLSC может принести вам еще несколько минут или часов работы на одной зарядке аккумулятора. Исследователи уверены, что технология может масштабироваться на всём пути от крупных промышленных и коммерческих приложений до потребительских устройств, оставаясь при этом «доступной». До сих пор одним из самых больших препятствий на пути широкомасштабного внедрения солнечной энергии является навязчивый и неэстетичный вид панелей солнечных батарей — очевидно, что если мы можем производить большое количество солнечной энергии из листов стекла и пластика, которые выглядят как обычные листы стекла и пластика, то это было бы большим прорывом.