Существенный рост коэффициента конверсии света за счет двухслойных панелей

Во время экспериментов по преобразованию солнечного света в электричество ученые обнаружили, что фотогальванические солнечные элементы, состоящие из проводящих органических полимеров, обладают огромным потенциалом. Органические полимеры могут быть произведены в больших количествах при малых затратах, что позволит создать недорогие, легкие и гибкие солнечные панели.

В последние несколько лет исследователи уделяют особое внимание вопросу повышения производительности устройств преобразования солнечного света с помощью разработки новых материалов, усовершенствования конструкции и принципов работы гелиоустановок.

В новой научной работе, опубликованной специалистами Факультета инженерии и прикладных наук имени Генри Самюэли и Института наносистем Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, сообщается, что ученым удалось существенно повысить производительность солнечных панелей: они сконструировали устройство с новой двухкаскадной структурой, которая совмещает в себе множество элементов с различными спектрами поглощения. Коэффициент преобразования энергии новой установки достиг 8,62%, что стало рекордным показателем на июль 2011 года.

Впоследствии, после того как ученые добавили в устройство полимерные материалы, предоставленные японской компанией «Sumitomo Chemical» и поглощающие инфракрасное излучение, коэффициент конверсии возрос до 10,6%, достигнув нового рекордного уровня, что было подтверждено Национальной лабораторией возобновляемой энергии.  

Благодаря использованию элементов с различными полосами поглощения тандемные солнечные установки могут поглощать солнечное излучение более широкого спектра. Однако производительность не увеличивается автоматически при совмещении элементов двух типов. Для эффективного аккумулирования энергии необходимо, чтобы материалы, из которых производят двухкаскадные панели, были совместимы друг с другом.

До недавнего момента производительность тандемных устройств значительно отставала от однослойных солнечных элементов – в первую очередь, из-за отсутствия подходящих полимерных материалов. Специалисты Факультета инженерии и прикладных наук представили высокоэффективные однослойные и тандемные солнечные панели, в состав которых входят конъюгированные полимеры с узкой запрещенной зоной, созданный специально для данных устройств. Под запрещенной энергетической зоной понимается та часть солнечного спектра, которая может быть поглощена полимерным материалом.

«Представьте себе двухэтажный автобус, - говорит Йенг Йенг, профессор материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете и ведущий специалист исследования. – Этот автобус перевозит определенное количество людей на нижнем этаже, но если добавить еще один, можно вместить гораздо больше людей на той же площади. Именно это мы и проделали с тандемными полимерными солнечными элементами».

Для более эффективного использования солнечного излучения группа ученых под руководством профессора Йенга создали многослойную структуру из множества светочувствительных пластов с дополнительным спектром поглощения.

Полученный материал состоит из переднего элемента с более широкой (или высокой) запрещенной энергетической зоной и заднего с меньшей (или более низкой) энергетической зоной, соединенных между собой промежуточным слоем.

По сравнению с однослойными панелями, тандемные устройства гораздо более эффективно используют солнечную энергию, в частности, минимизируя энергетические потери. Благодаря использованию поглощающих материалов разного типа, каждый из которых поглощает энергию из той или иной части солнечного спектра, тандемные солнечные панели способны поддерживать ток и увеличивать выходное напряжение. Эти факторы приводят к увеличению производительности, утверждают ученые.

«Солнечный спектр весьма широк – он включает в себя как видимое, так и невидимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, – объясняет Шудзи Дои, глава исследовательской группы в компании «Sumitomo Chemical». – Мы очень рады, что наш полимер с узкой энергетической зоной стал ключом к повышению производительности солнечных панелей».

 «Мы проводим эксперименты в области тандемных солнечных установок не так давно, как в сфере однослойных устройств, – подчеркивает Ганг Ли, член исследовательской группы с факультета инженерии Калифорнийского университета. – Поэтому для нас увеличение производительности за такой короткий срок является ярким свидетельством многообещающего потенциала, которым обладает тандемная технология».

Данное исследование открывает новые возможности для разработки и усовершенствования новых материалов для тандемных полимерных солнечных панелей.  Кроме того, оно служит первым шагом к промышленному внедрению этой технологии. По словам профессора Йенга, они надеются достичь коэффициента полезного действия в 15% уже в ближайшие несколько лет.

Профессор Йенг, возглавляющий кафедру инженерии, также является главой Центра возобновляемых нанотехнологий  в Калифорнийском Институте наносистем.

Исследования проводились при поддержке Национального научного фонда, Департамента научных исследований ВВС США, Департамента морских исследований, Министерства энергетики, а также Национальной лаборатории возобновляемой энергии.

Компания «Sumitomo Chemical» является одним из лидеров химической промышленности Японии. Она занимается производством широкого круга товаров – основных химических веществ, нефтехимических продуктов, сельскохозяйственных химикатов и фармацевтических препаратов.

EnergyDaily, перевод с английского – Наталья Пристром

http://www.solardaily.com/reports/Tandem_polymer_solar_cells_set_record_for_energy_conversion_999.html