Роберт Краутманн, научный сотрудник Института технологий материалов и окружающей среды инженерного факультета Таллиннского технического университета, в этом году защитил докторскую степень в области разработки тонкопленочных солнечных элементов. Исследователь работает над этой темой уже много лет. Магистерская диссертация Краутманна также была связана с разработкой элементов методом сублимации.

Сам Краутманн считает тонкие солнечные панели прорывом в получении солнечной энергии. Элементы толщиной с волос позволят использовать для производства электричества практически любые поверхности и материалы — от оконных стекол и штор до одежды.

Ультратонкие солнечные элементы, которые исследует Краутманн, принципиально отличаются от панелей на основе кремния, которые применяются сегодня. Исследуемая технология солнечных батарей основана на использовании новых материалов. Вместо прежнего кремния (Si) Краутманн применяет селенид сурьмы (Sb2Se3) и сульфид сурьмы (Sb2S3). Значительно более сильное поглощение света в них позволяет изготовить чрезвычайно тонкий солнечный элемент, извлекающий солнечную энергию и производящий электричество.

В лабораторных условиях эффективность солнечных элементов Sb2Se3 и Sb2S3 в настоящее время достигает почти семи процентов. По словам Краутманна, технология еще недостаточно развита для массового производства. "Чтобы кто-то был готов пойти на это, продукт должен стать дешевле или эффективнее существующих вариантов. Цены на кремниевые панели уже резко снизились, и их эффективность сейчас выше", — поясняет исследователь.

Коэффициент полезного действия потребительских кремниевых панелей сейчас составляет от 15 до 20 процентов. "В то же время низкая эффективность не означает, что инновационный солнечный элемент вообще не пригоден для использования. Просто его необходимо дорабатывать", — сказал Краутманн.

По мнению ученого, в случае с новыми технологиями следует видеть и другие положительные стороны. Например, можно использовать экологически чистые материалы или лучше перерабатывать панели по окончании их срока службы.

Кроме того, его разработка могла бы быть использована, например, для создания тандемных панелей. Решение состоит в том, чтобы покрыть кремниевые панели вторым слоем светопоглощающего материала, чтобы использовать большую часть спектра падающего света. Также новая технология хорошо подходит для нишевых приложений, таких как автономные интеллектуальные датчики или солнечные окна.

Совершенно иной подход

Процессы производства кремниевых и тонкопленочных солнечных элементов из селенида сурьмы и сульфида сурьмы сильно различаются. При производстве панелей, которые применяются сегодня, речь идет об энергоемкой металлургии. Добытый из земли оксид кремния (SiO2) плавится в печи при температуре 1400 градусов, и только тогда из этой расплавленной массы можно извлечь чистый материал. В результате получается цилиндрический кристалл, который разрезают на тонкие пластины толщиной 180 мкм. Затем проводят специальную химическую обработку, инкапсулируют под стекло и, наконец, получают панель, способную генерировать ток при воздействии света.

Фактически, одной из причин начала исследований новых технологий солнечных элементов было то, что изготовление кремниевых панелей чрезвычайно энергоемко и потому дорого. Однако текущие высокие объемы и дешевая электроэнергия в Китае в последние годы значительно снизили цены.

"Мы использовали селенит или сульфид сурьмы в виде порошка и нагревали его в крохотном реакторе, который был помещен в вакуумную среду", — описывает Краутманн практическую сторону своего исследования. В условиях вакуума вещества с высоким давлением паров начинают испаряться еще до стадии плавления. На другом конце реактора, на расстоянии одного сантиметра, исследователи поместили проводящую стеклянную подставку, доведенную до несколько более низкой температуры. "На ее поверхности образовывался невероятно тонкий слой светопоглощающего материала — селенита или сульфида сурьмы".

Непрерывное питание для интеллектуальных датчиков

Гибкие ультратонкие солнечные элементы в будущем могут найти множество применений. По мнению Роберта Краутманна, все ограничено только полетом фантазии: перед мысленным взором встают окна, ткани и пластыри, которые генерируют электричество.

Ясно и определенно одно – технология позволяет устанавливать панели и на криволинейных поверхностях, будь то корпус корабля или автомобиля, столб, ограда или крыши зданий. В то же время эти батареи в целом будут "невидимыми", то есть лучше интегрированными в окружающую среду, чем кремниевые. Солнечные парки в настоящее время занимают значительную часть пахотных и луговых земель, что лишает возможности использовать их для стратегически важного сельскохозяйственного производства.

В дополнение к этому Краутманн привносит еще один аспект в область использования инновационных панелей — обеспечение непрерывного питания интеллектуальных датчиков. "Пока мы этого не осознаем, но в будущем это станет все более важной темой, поскольку всевозможные умные датчики будут лавинообразно приходить в нашу жизнь", — говорит исследователь.

"Мир будущего основан на данных и их непрерывной обработке. Чем лучше мы сможем отслеживать различные наборы данных, тем лучше мы сможем принимать решения и оптимизировать процессы", — объясняет Краутманн.

Как правило, интеллектуальные датчики, работающие на больших расстояниях, требуют бесперебойного питания. При его прерывании, прибор прекращает измерение и передачу сигнала. Если, например, в компании или университете установлено несколько сотен таких умных датчиков, то их обслуживание может оказаться весьма хлопотным. В настоящее время датчики питаются от батареек или аккумуляторов, которые необходимо регулярно подзаряжать или заменять.

Идея Краутманна состоит в том, что если вы соедините его инновационную солнечную панель с аккумулятором и подключите, то датчикам будет постоянно гарантирована необходимая мощность. Это немного облегчит обслуживание. Кроме того, такое решение увеличит срок работы устройства.

Такие приборы, будь то цифровой термометр или датчик влажности, обычно потребляют очень мало энергии. Часто достаточно одного или двух вольт, а требуемый ток измеряется микроамперами. Именно поэтому ученый осмеливается утверждать, что при определенных обстоятельствах миниатюрная солнечная панель пригодна для подачи тока на умные датчики и в закрытых помещениях, потому что энергию можно получать и от рассеянного света. "Хотя интенсивность комнатного света не сравнима с солнечным, при определенных условиях солнечные элементы, которые я исследую, могут производить достаточный ток. Во многом так же работают солнечные элементы калькуляторов", — сказал Краутманн.

"Наладить этот процесс будет сложно, но возможно. Однако батареи, которые можно установить на открытом воздухе, все же более надежны", — размышляет исследователь. В любом случае Роберт Краутманн уверен, что питание маломощных интеллектуальных устройств с помощью созданной им солнечной панели будет гораздо более энергоэффективным, чем нынешний способ постоянной зарядки аккумуляторов или поддержания устройств подключенными к сети.

Ознакомиться с докторской диссертацией Роберта Краутманна можно в цифровой библиотеке Таллиннского технического университета.