Солнечные элементы: на пути к идеалу

Ключ к созданию идеального материала для преобразования солнечной энергии в тепло — правильная «настройка» спектра поглощения того или иного материала: он должен поглощать практически все длины волн светового излучения, достигающего поверхности Земли. С другой стороны — рабочий диапазон должен быть ограничен, так как в противном случае это увеличит степень переизлучения энергии материалом и приведет к потерям в процессе преобразования. 

Как утверждают ученые из Массачусетского технологического института, им удалось разработать материал, свойства которого близки к идеальным для абсорбции солнечной энергии. Материал представляет собой двуразмерный металл-диэлектрический фотонный кристалл, обладающий свойством поглощения солнечного света, падающего практически под любым углом, и выдерживающий высокие температуры. Что особенно важно, этот материал дешев при изготовлении в больших масштабах. 

Разработанный материал работает как часть солнечного термофотоэлектрического элемента: сначала энергия солнца преобразуется в тепло, которое вызывает собственное свечение материала, а уже оно, в свою очередь, может быть преобразовано в электрический ток. 

По словам одного из соавторов научной работы Джеффри Чу (Jeffrey Chou), некоторые члены исследовательской группы работали над первыми вариантами термофотоэлектрического элемента, внутренняя структура которых имела пустое пространство: «Они были пустыми, внутри был воздух, — рассказывает Чу. — Никто ранее не пытался разместить внутри диэлектрик. Мы опробовали эту идею и увидели некоторые интересные свойства... Когда вы используете солнечную энергию, вы хотите собрать и сохранить ее. Поэтому подбор правильного спектра для поглощения и излучения является ключевым для создания эффективных термофотоэлектрических элементов». 

Большая часть энергии солнца достигает поверхности нашей планеты в спектральном диапазоне от ультрафиолета до ближней инфракрасной части спектра: «Диапазон в котором мы хотим поглощать энергию, довольно специфичен, — объясняет Чу. — Мы создали эту структуру и обнаружили, что она обладает очень хорошим спектром поглощения. Как раз тем, который нам был необходим... Боле того, параметры поглощения могут контролироваться с высокой точностью. Полученный нами материал имеет наноразмерные полости и степень поглощения можно регулировать, изменяя размер этих пустот». 

Еще одна ключевая характеристика нового материала, по словам Чу, заключается в его технологичности: «Это первые элементы такого рода, которые можно изготовить с помощью современных методов, например, используя для этих целей 12-дюймовые кремниевые пластины, — рассказывает Чу. — В ходе первых лабораторных демонстраций удавалось создать лишь небольшие образцы размером в несколько сантиметров на основе дорогих металлических подложек. Такой вариант не подходил для масштабирования технологии и перехода на коммерческий уровень». 

Для того, чтоб получить максимальную отдачу от элементов при использовании концентраторов солнечного излучения (системы зеркал) такие материалы должны сохранять свою структурную целостность даже при экстремально высоких температурах. Испытания нового материала показали, что он может выдерживать нагрев до 1000˚C в течение 24 часов без заметной деградации. 

Так как новый материал может эффективно поглощать солнечное излучение в широком диапазоне углов, то, по словам Чу, «нам теперь не нужны устройства автоматического слежения за Солнцем» — они обычно значительно усложняют системы сбора солнечной энергии и делают их более дорогими. 

«Наша группа продемонстрировала элементы, в состав которых входит относительно дорогой рутений, но мы можем позволить гибкий подход к выбору материалов, — рассказывает Чу. — В теории, вы сможете использовать практически любой металл, способный выдержать высокие температуры».