Томатный пигмент может стать ключом к повышению эффективности солнечных батарей

• Ликопин - это антиоксидант, который придает помидорам красный цвет, а также защищает их кожуру от ультрафиолетового излучения.
• При применении к перовскитовым солнечным панелям ликопин может защитить их от разрушения под действием УФ-излучения, повышая их долговечность.
• Пигмент также улучшил электрический поток в солнечных панелях из перовскита.

Один из основных недостатков солнечной энергетики заключается в различной эффективности солнечных панелей.

Термины «эффективность солнечных панелей» и «эффективность солнечных элементов» относятся к количеству солнечного света, которое каждая фотогальваническая технология может превратить в полезную энергию.

Обычно КПД солнечных батарей колеблется от 15 до 22 процентов, в зависимости от места размещения, погодных и других природных условий, а также типа используемой солнечной энергетической системы.

За последние несколько лет необходимые достижения в области фотогальванических технологий помогли увеличить эти цифры.

В 2022 году одно из самых невероятных открытий в этой области было сделано группой китайских исследователей, которые обнаружили, что ликопин, пигмент, окрашивающий помидоры в красный цвет, повышает эффективность солнечных элементов на основе перовскита из 20,57 процента до 23,62 процента.

Насколько эффективны современные солнечные батареи?

Некоторые виды солнечных панелей работают лучше, чем другие.

В настоящее время большинство коммерческих солнечных панелей (около 90 процентов) основаны на кремнии, поскольку это относительно экономичный вариант, поскольку они служат до 25 лет и не требуют особого обслуживания.

Но они редко превышают 20-25 процентов КПД.

Существует несколько типов солнечных панелей на основе кремния:

• Солнечные панели из аморфного кремния. Одна из самых дешевых альтернатив на рынке. кристаллическая форма кремния, называемая аморфным кремнием (a-Si), которая работает как полупроводниковый материал. Эффективность солнечных батарей составляет примерно 6-13 процентов.

• Солнечные панели из поликристаллического кремния. Эти солнечные панели содержат фрагменты поликристаллической формы кремния высокой чистоты, сплавленные вместе в тонкие пластины, которые формируют солнечные батареи.

  

  Эти солнечные панели на основе кремния имеют много кристаллов, что затрудняет движение электронов через них. Таким образом, КПД этого типа солнечной панели обычно составляет около 13-16 процентов.

• Солнечные панели из монокристаллического кремния. Состоящие из чистого монокристаллического кремния, организованного в виде пластин, эти солнечные панели имеют темно-черный цвет и КПД составляет примерно 17-24 процента. Однако их производство может быть сложным и дорогим.

  

Затем у нас есть перовскитные солнечные панели, изготовленные из соединений со структурой перовскита в качестве светопоглощающего слоя. Это соединения на основе кристаллической структуры титаната кальция, которая допускает встраивание различных катионов (положительно заряженных ионов).

Перовскитные солнечные панели, изготовленные из перовскитов на основе галогенида свинца, недороги и более эффективны, чем солнечные панели на основе кремния (коэффициент эффективности составляет около 25 процентов). Однако они легко разлагаются под воздействием влаги, тепла, света и других факторов.

Из-за короткого срока службы эти солнечные панели в настоящее время неконкурентоспособны на рынке. Тем не менее, другие их характеристики являются многообещающими, и ученые не отказались от поиска новых способов повышения стабильности, долговечности и эффективности панелей.

Именно здесь на помощь приходит ликопин, «томатный пигмент».

Как повысить эффективность солнечной панели?

Ликопин является природным антиоксидантом. Как таковой, он ингибирует окисление, химическую реакцию, ответственную за образование свободных радикалов.

Свободные радикалы - это ионы, атомы или молекулы с нечетным числом электронов. Это делает их нестабильными, и они могут активировать реакции, которые изменяют ДНК, вызывая повреждение клеток в живых организмах.

Ликопин связывается со свободными радикалами, генерируемыми солнечным ультрафиолетовым излучением, делая их более стабильными. Таким образом, пигмент защищает помидоры и другие красные фрукты от ультрафиолетовых лучей, уменьшая повреждение клеток кожицы.

Зная об этом, китайские исследователи предположили, что ликопин может уменьшить разрушение перовскитных солнечных панелей под воздействием ультрафиолетовых лучей, повышая их долговечность.

Но после испытаний выяснилось, что ликопин пассивирует границы зерен (границу между двумя зернами, или кристаллитами, в поликристаллических материалах), улучшает кристалличность и прозрачность, снижает плотность электронных ловушек - что в целом увеличило электрический поток в солнечных панелях, тем самым повысив их эффективность.

Однако ученым не в первый раз удается повысить эффективность перовскитовых солнечных панелей.

В апреле 2021 года команда из Городского университета Гонконга добавила ферроцены, металлорганическое соединение на основе железа, впервые полученное в 1951 году в Университете Дюкен, к перовскитным солнечным элементам и повысила их эффективность до 25 процентов, в то время как также проходит тест на стабильность, установленный Международной электротехнической комиссией.

В сентябре того же года исследователи из Нидерландов создали тандемное устройство из перовскита и кремния с четырьмя контактами, в котором использовалась смесь кремниевых солнечных элементов с перовскитными солнечными элементами для извлечения энергии из видимого света и инфракрасного спектра. (через кремниевые солнечные элементы) плюс ультрафиолетовый спектр (через перовскитовые солнечные элементы). Эффективность устройства составила 30,1 процента.

Что касается солнечных панелей на основе кремния, одним из способов повышения их эффективности является добавление тонких слоев перовскита или других светопоглощающих материалов (например, оксида кремния). Другой способ - разместить зеркальные отражатели под определенным углом рядом с солнечными панелями, чтобы они поглощали больше солнечного света.

Кроме того, линзы Френеля можно использовать в качестве солнечных концентраторов для создания солнечных панелей, которые буквально концентрируют полученный солнечный свет на своих солнечных элементах.

Какие факторы влияют на эффективность солнечной панели?

Помимо методов, упомянутых выше, на эффективность солнечной панели могут влиять следующие факторы:

• Погодные условия. Высокие температуры создают проблемы для производства солнечной энергии, поскольку тепло снижает выходное напряжение солнечных панелей. Облачное покрытие снижает количество прямых солнечных лучей, получаемых солнечными панелями, а сильный снегопад может полностью их заблокировать.

  

• Ориентация и углы. Солнечные панели должны максимально подвергаться воздействию солнца, чтобы быть более эффективными. Они должны быть обращены на юг в северном полушарии и на север в южном полушарии, но это не означает, что фиксированная ориентация идеальна. Рекомендуется оборудование для отслеживания движения Солнца.

• Затенение. Затенение может снизить эффективность солнечных панелей более чем наполовину. Все виды солнечных панелей работают лучше, если они установлены вдали от высоких деревьев или других объектов, отбрасывающих тень, и/или если они имеют обходные диоды, подключенные параллельно солнечным элементам.
• Техническое обслуживание. Со временем пыль и мусор накапливаются в солнечных панелях, снижая их производительность. Дождь часто смывает грязь, поэтому солнечные панели требуют минимального обслуживания, но это факт, что солнечные панели должны оставаться чистыми, чтобы работать с максимальной эффективностью.
• Уровни инсоляции. «Инсоляция» относится к энергии солнечного света на единицу площади с течением времени. Региональные вариации уровней инсоляции в зависимости от местоположения солнечной панели можно проверить в средстве просмотра Power Data Access Viewer НАСА.