Через пять-семь лет солнечные элементы станут намного дешевле, а их толщина составит лишь одну двадцатую от нынешних солнечных элементов. Хитрость заключается в том, чтобы обмануть солнечный свет микрошариками.
Наноученые в настоящее время разрабатывают солнечные элементы следующего поколения, которые будут в двадцать раз тоньше нынешних солнечных элементов.
Более 90 процентов электроэнергии, вырабатываемой солнечными панелями, производится кремниевыми пластинами толщиной 200 микрометров. Каждый год их производится несколько миллиардов. Проблема в большом расходе кремния: пять граммов на ватт.
200 электростанций Alta: в этом году во всем мире будет произведено от пяти до десяти миллиардов единиц солнечных панелей. Это эквивалентно 30 ГВт, или мощности 200 электростанций «Альта».
Хотя кремний является одним из самых распространенных элементов на земле, чистого кремния в природе не существует. Кремний легко связывается с другими элементами. Чтобы солнечные элементы функционировали, кремниевая пластина должна состоять как минимум на 99 9999 процентов из кремния. Вы правильно прочитали: если солнечный элемент состоит более чем из одной миллионной доли других материалов, он не работает.
Сегодня чистый кремний производится в плавильнях при температуре 2000 градусов Цельсия. Это требует много энергии. Заводы поставляют кремний в виде кирпичиков размером с дрова. Затем их нарезают ломтиками, достаточно тонкими для солнечных батарей. Только половина становится солнечными батареями. Остальное превращается в опилки.
«Каждый год потребляется около 100 000 тонн кремния. Однако очевидно, что есть что-то принципиально неправильное, когда половину кремния приходится выбрасывать в процессе производства», - говорит Эрик Марштейн. Он является главой Норвежского исследовательского центра технологии солнечных батарей, руководителем исследований по установке солнечных батарей в Институте энергетических технологий (IFE) в Кьеллере за пределами Осло и адъюнкт-профессором физического факультета Университета. Осло (UiO), Норвегия.
Цены на солнечные батареи неуклонно падают. Сегодня солнечные панели стоят пол-евро за каждый ватт. Всего четыре года назад цена составляла два евро за ватт.
"Трудно зарабатывать деньги на производстве солнечных элементов по текущим ценам. Чтобы делать деньги, солнечные элементы должны производиться намного дешевле."
Сверхтонкие солнечные элементы в 2020 году
Вместе с профессором Аасмундом Судбё на факультете физики Эрик Марштейн находится в авангарде разработки солнечных элементов нового поколения. Они могут появиться на рынке через пять-семь лет.
"Самый очевидный путь вперед - сделать очень тонкие пластины солнечных батарей без увеличения затрат."
Это общее правило применимо ко всем типам солнечных элементов: чем больше электронов выталкивает солнечный свет, тем больше электричества. И чем больше энергии в электронах, тем выше напряжение.
«Чем тоньше становятся солнечные элементы, тем легче извлекать электричество. В принципе, в более тонких элементах будет более высокое напряжение и больше электричества. такие же, как и нынешние, но их можно сделать, используя всего одну двадцатую часть кремния. Это означает, что потребление кремния может быть снижено на 95%», - говорит Эрик Марштейн в исследовательском журнале Apollon из Университета Осло.
Однако есть большое но! Чем тоньше пластины, тем меньше солнечного света задерживается. Это связано с длиной волны света. Синий свет имеет гораздо более короткую длину волны, чем красный свет. Синий свет может улавливаться пластинами толщиной всего несколько микрометров. Для улавливания красного света кремниевая пластина должна быть толщиной почти один миллиметр. Для инфракрасного излучения пластина должна быть еще толще.
Когда толщина пластины солнечного элемента составляет всего 20 микрометров, слишком много света будет проходить сквозь нее.
Толщина современных солнечных элементов удваивается зеркалом. При отражении света прохождение света через пластину удваивается.
Думаю, 20-микрометровый солнечный элемент с зеркалом теоретически будет иметь толщину 40 микрометров. Однако этого недостаточно. Кроме того, нынешние зеркала далеки от совершенства: они отражают только 70-80 процентов света.
Волшебство
"Вот где начинается волшебство. Мы пробуем все возможные чудесные трюки со светом. Наш трюк состоит в том, чтобы обмануть солнечный свет и заставить его дольше оставаться в солнечной батарее."
Это увеличивает продолжительность прохождения солнечного света внутри солнечного элемента», - объясняет Эрик Марштейн. Это называется сбором света.
Его исследовательская группа сейчас делает задний лист, усеянный периодическими структурами, чтобы иметь возможность решить, куда именно должен идти свет. Им удалось заставить свет двигаться вбок.
"Мы можем увеличить видимую толщину в 25 раз, заставляя свет все время подниматься и опускаться. Мы рассчитали, как должен выглядеть этот задний лист, и в настоящее время изучаем, какие структуры работают."
Одним из вариантов является покрытие всего заднего листа микрогранулами Uglestad, что является одним из величайших норвежских изобретений прошлого века. Микрошарики Uglestad представляют собой очень маленькие пластиковые шарики. Каждая сфера имеет одинаковый размер.
"Мы можем заставить микрогранулы Углестада располагаться близко друг к другу на поверхности кремния, образуя почти идеальную периодическую структуру. Лабораторные испытания показали, что микробусины можно использовать в качестве маски." Научный сотрудник докторантуры Йостейн Торстенсен показывает, что лазеры хорошо подходят для протравливания углублений вокруг микробусин.
"Сейчас мы изучаем, можно ли масштабировать этот и другие методы для промышленного производства. Мы очень верим в это и в настоящее время ведем переговоры с несколькими промышленными партнерами, но пока не можем сказать, кто."
Асимметричные трюки
Чтобы уловить еще больше света в солнечном элементе, Джо Гьессинг защитила докторскую диссертацию о том, как делать асимметричные микровыемки на обратной стороне кремниевого среза.
"Цилиндры, конусы и полусферы имеют симметричную форму. Мы предложили ряд структур, которые нарушают симметрию. Наши расчеты показывают, что асимметричные микровыемки могут задерживать еще больше солнечного света", - говорит его руководитель Эрик Марштейн.
На практике это означает, что 20-микрометровые солнечные элементы с симметричными микровыемками так же эффективны, как 16-микрометровые пластины с асимметричными выемками. Это означает, что расход силикона можно сократить еще на 20 процентов.
"Наша главная цель состояла в том, чтобы получить такое же количество электроэнергии из более тонких элементов. Мы будем очень довольны, даже если размер наших новых солнечных элементов будет составлять 30 микрометров", - отмечает профессор Аасмунд Судбё.
Новые солнечные элементы производятся разными способами, например, путем расщепления тонкой силиконовой фольги или выращивания тонких кремниевых пленок. А дополнительный бонус? Потери кремния минимальны.