Почему прозрачные солнечные панели могут заменить окна в ближайшем будущем

Независимо от того, насколько устойчивыми, экологичными и чистыми источниками энергии они являются, традиционные солнечные панели требуют большой площади установки и больших первоначальных инвестиций. Из-за этих ограничений их трудно внедрять в городских районах (особенно в районах с большим количеством многоквартирных домов или магазинов). Но благодаря работе изобретательных инженеров из Мичиганского университета, возможно, скоро это перестанет быть проблемой.  

Исследователи создали прозрачные солнечные панели, которые, по их утверждению, можно использовать в качестве окон, вырабатывающих энергию, в наших домах, зданиях и даже съемных квартирах.

Image credits: Kenrick Baksh/Unsplash

 

Если эти прозрачные панели действительно способны экономично генерировать электроэнергию, то дни обычных окон могут быть сочтены. Скоро мы сможем получить доступ к дешевой солнечной энергии независимо от того, где мы живем - и, что еще лучше, мы сможем избавиться от ужасных отключений электроэнергии, которые случаются время от времени, потому что благодаря прозрачным солнечным панелям, похожим на стекло, каждый дом и каждый современный небоскреб сможет самостоятельно вырабатывать электроэнергию. 

Общий обзор прозрачных солнечных панелей 

Для того чтобы генерировать энергию из солнечного света, солнечные элементы, встроенные в солнечную панель, должны поглощать солнечное излучение. Поэтому они не могут полностью пропускать солнечный свет через себя (как это делает стекло в окне). Таким образом,  поначалу идея прозрачных солнечных панелей может показаться абсурдной и совершенно нелогичной, ведь прозрачная панель не должна поглощать излучение. 

Исследователи обнаружили, что это не совсем так. Вернее, это совсем не так.

Солнечные панели, созданные инженерами Мичиганского университета, состоят из прозрачных люминесцентных солнечных концентраторов (TLSC). Состоящие из цианина, TLSC способны избирательно поглощать невидимое солнечное излучение, включая инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, и пропускать через себя остальные видимые лучи. Другими словами, эти устройства прозрачны для человеческого глаза (практически как стекло), но при этом поглощают часть солнечного света, который затем преобразуется в электричество. Это относительно новая технология, впервые разработанная только в 2013 году, но уже сейчас она демонстрирует впечатляющие результаты. 

 Профессор Р. Лант из MSU демонстрирует прозрачный люминесцентный солнечный концентратор. Image credits: Мичиганский государственный университет

реклама

 

Панели, оснащенные TLSC, можно формовать в виде тонких прозрачных листов, которые в дальнейшем можно использовать для создания окон, экранов смартфонов, крыш автомобилей и так далее. В отличие от традиционных панелей, в прозрачных солнечных панелях не используется силикон, вместо этого они состоят из слоя оксида цинка, покрытого слоем IC-SAM на основе углерода и слоем фуллерена. Слои IC-SAM и фуллерена не только повышают эффективность панели, но и предотвращают разрушение поглощающих излучение участков солнечных элементов.

Удивительно, но исследователи из Мичиганского государственного университета (МГУ) также утверждают, что их прозрачные солнечные панели могут прослужить более 30 лет, что делает их более долговечными, чем большинство обычных солнечных панелей. По сути, вы можете оснастить свои окна этими прозрачными солнечными элементами и получать бесплатное электричество без особых хлопот в течение десятилетий. Неудивительно, что такая перспектива заинтересовала многих людей. 

По словам профессора Ричарда Ланта (который руководил экспериментом по созданию прозрачных солнечных панелей в Мичиганском университете), "высокопрозрачные солнечные батареи представляют перспективное направление для новых солнечных технологий". Он также добавляет, что в будущем эти устройства смогут обеспечить такой же потенциал выработки электроэнергии, как солнечные системы на крышах домов, а также обеспечить наши здания, автомобили и гаджеты способностью к самоподзарядке.

"Это то, над чем мы работаем", - сказал он. "Традиционные солнечные технологии активно изучаются уже более пяти десятилетий, но мы работаем над созданием высокопрозрачных солнечных батарей всего около пяти лет. В конечном счете, эта технология предлагает перспективный путь к недорогому и широко распространенному использованию солнечной энергии на малых и больших площадях, которые ранее были недоступны". 

 Image credits: Djim Loic/Unsplash 

 

Последние достижения в области технологии прозрачных солнечных панелей

Помимо исследований, проводимых профессором Ричардом Лантом и его командой в MSU, есть и другие исследовательские группы и компании, работающие над созданием усовершенствованных солнечных стеклопакетов. Ранее в этом году команда из Университета ИТМО в России разработала более дешевый метод производства прозрачных солнечных батарей. Исследователи нашли способ производить прозрачные солнечные панели намного дешевле, чем когда-либо прежде.

"Обычные тонкопленочные солнечные элементы имеют непрозрачный металлический внутренний слой, который позволяет им задерживать больше света. В прозрачных солнечных элементах используется светопроницаемый задний электрод. В этом случае часть фотонов неизбежно теряется при прохождении через него, что снижает производительность устройств. Кроме того, производство обратного электрода с нужными свойствами может быть довольно дорогим", - говорит Павел Ворошилов, научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО.

"Для наших экспериментов мы взяли солнечный элемент на основе малых молекул и прикрепили к нему нанотрубки. Затем мы провели легирование нанотрубок с помощью ионного затвора. Мы также обработали транспортный слой, который отвечает за то, чтобы заряд с активного слоя успешно достиг электрода. Это удалось реализовать без вакуумных камер, работая в условиях окружающей среды. Все, что необходимо было сделать, это капнуть немного ионного раствора и приложить небольшое напряжение, чтобы создать требуемые свойства", - добавляет автор работы Павел Ворошилов. 

Научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО Павел Ворошилов.

 

Технологическая компания PHYSEE из Нидерландов успешно установила свое окно PowerWindow на основе солнечной энергии, на площади 300 квадратных футов в здании банка Rabobank, в Голландии. Хотя в настоящее время прозрачные окна PowerWindow недостаточно эффективны для удовлетворения потребностей в энергии всего здания, PHYSEE утверждает, что, приложив еще немного усилий, вскоре они смогут увеличить эксплуатационные характеристики и мощность генерации энергии своих солнечных окон.   

Калифорнийская компания Ubiquitous Energy также работает над системой "ClearView Power", целью которой является создание солнечного покрытия, способного превратить стекло, используемое в окнах, в прозрачные солнечные панели. Это солнечное покрытие позволит прозрачным стеклянным окнам поглощать высокоэнергетические инфракрасные излучения. Компания утверждает, что в ходе первоначальных испытаний солнечных батарей ClearView удалось достичь эффективности в 9,8%.

В сентябре 2021 года объект корпорации Nippon Sheet Glass (NSG), расположенный в городе Чиба, стал первым в Японии зданием, оснащенным солнечными окнами. Прозрачные солнечные панели, установленные NSG на своем объекте, разработаны компанией Ubiquitous Energy.  Недавно, в рамках сотрудничества с Morgan Creek Ventures, Ubiquitous Energy также установила прозрачные солнечные окна на строящемся коммерческом здании Boulder Commons II в Колорадо.

 PowerWindows работают при прямом и отраженном свете, под любым углом к солнцу 

 

Все эти интересные тенденции указывают на то, что рано или поздно мы также сможем установить прозрачные солнечные окна, генерирующие энергию, в наших домах. Такое небольшое изменение в способе производства энергии в глобальном масштабе может стать большим шагом к жизни в более энергосберегающем мире.

Однако пока мы еще не дошли до этого

Если все вышесказанное звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой, то так оно и есть. Эффективность этих полностью прозрачных солнечных панелей составляет около 1%, хотя технология имеет потенциал для достижения эффективности около 10% - это по сравнению с 15%, которые мы уже имеем для обычных солнечных панелей ( эффективность некоторых из них может достигать 22% или даже немного выше).

Таким образом, технология пока не позволяет сделать прозрачные солнечные батареи достаточно мощными, но в недалеком будущем это неизбежно произойдет. Более того, преимущество этой технологии заключается в том, что она может быть использована в небольших объемах, в местах, где нет возможности установить обычные солнечные батареи. При этом их не обязательно заменять, достаточно просто дополнить.

Если задуматься, то еще десять лет назад солнечная энергия вообще не считалась конкурентоспособной, а в одном из последних исследований было доказано, что сейчас это самый дешевый вид электроэнергии за всю историю человечества. Хотя прозрачные солнечные батареи еще не нашли настоящего применения, тем не менее, мы видим, как быстро может развиваться этот вид технологии, и перспективы для достижения больших результатов весьма велики. 

Одна только мысль о том, что вскоре мы сможем получать энергию от окон наших зданий, показывает, как далеко мы продвинулись. Энергетическая революция не за горами, и с нашей стороны было бы разумно отнестись к ней серьезно.