Российские учёные создали концентраторы солнечной энергии

Российские и французские учёные придумали новый оптимальный способ разработки люминесцентных концентраторов солнечной энергии и уже создали образцы устройств, которые преобразуют световую энергию в электрическую наравне с лучшими мировыми образцами.

Кто не слышал о растущих потребностях в альтернативных источниках энергии, которые и эффективнее, и экологичнее исчерпаемых нефти, газа и угля. Один из таких источников – солнечная энергия, благодаря специальным устройствам – солнечным батареям (учёные называют их более строго – фотоэлектрические преобразователи, ФЭП) преобразуемая в электрическую. Такие батареи, в современном их понимании, изобрели в середине 50-х годов американские учёные. Буквально через несколько лет этими фотоэлементами уже стали оснащать искусственные спутники Земли. Коэффициент полезного действия первых батарей был чуть больше 5%. Со временем они совершенствовались. Сейчас КПД некоторых лабораторных образцов уже достигает 40%, и это не считается пределом. Солнечная энергия отвоёвывает всё больше места в общемировой энергетике, ей пророчат ведущие позиции в будущем, но в настоящем по ряду причин её доля остаётся довольно скромной, составляющей не более 2% от общего количества вырабатываемой электроэнергии.

Одно из препятствий на пути более широкого использования солнечной энергии – относительно низкий КПД преобразователей при высоких затратах на их производство. Учёные, разумеется, пытаются решить эту задачу. Способов для этого много, среди них – использование так называемых концентраторов световой энергии, например люминесцентных солнечных концентраторов (ЛСК). Учёные пытаются создать такие ЛСК, которые могли бы перерабатывать в электроэнергию весь спектр падающего на Землю солнечного излучения. Кроме того, они трудятся над оптимизацией этого процесса.

Разрабатывает люминесцентные концентраторы и группа российских учёных в составе международного коллектива из четырёх организаций: Института металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева РАН, ООО «Репер-НН», Института физики им. Б.И. Степанова НАН, Labo. CMOS, CNRS UMR 5253, Institut Charles Gerhardt, Université Montpellier 2. Исследователи уже изготовили рабочую модель ЛСК. Для этого в полимерной композиции они растворяли специально синтезированные люминофоры, которые затем отверждали под действием света, чтобы получить плёнки полимера толщиной 250 микрометров. После плёнки склеивали с массивным стеклом толщиной 1 см, а сами фотоэлементы прикрепляли к торцам этой же стеклянной пластины.

Модель ЛСК на основе стекла из фотоотверждаемой полимерной композиции, содержащей органический комплекс иттербия в качестве люминофора

В ходе экспериментов учёные измерили КПД своего устройства и установили, что у полученных ЛСК более высокий коэффициент концентрации энергии, кроме того, они более эффективно преобразуют световую энергию в электрическую по сравнению с известными аналогичными устройствами, присоединёнными к ЛСК. В частности, это происходит по причине того, что у вновь синтезированных люминофорных комплексов оказалось практически нулевое самопоглощение. Это позволяет передавать по оптопроводящим путям испускаемый люминофорами свет практически без потерь.

Интересно, что основной светоизлучающий компонент – органические комплексы редкоземельных металлов были получены оригинальным, разработанным этими же авторами методом с использованием так называемого темплатного синтеза (это когда сложная структура самособирается вокруг атома металла из более простых молекулярных блоков).

Учёные предполагают, что если на основе изготовленных ими ЛСК создать многоуровневые устройства («тандемы», «триады»), то можно обеспечить максимальную эффективность превращения солнечной энергии в электрическую.

На рисунке представлено многоуровневое устройство, состоящее из нескольких ЛСК на основе органических стёкол из фотоотверждаемого сополимера, собранных в форме лестницы

Авторы считают, что своей работой они показали новую возможность получать стационарные концентраторы солнечной энергии, не уступающие по своим характеристикам лучшим мировым образцам подобных устройств, и уверены, что созданные ими ЛСК можно ещё оптимизировать по набору используемых люминофоров и геометрии для получения максимально высокой эффективности превращения солнечной энергии.