Прозрачные солнечные панели

Привет!

Мне очень понравилось, что в комментарии к предыдущей моей статье «Пещерные астронавты. Предыстория освоения внеземных лавовых трубок» уважаемый @ZekaVasch сравнил описанные проекты с фантазиями Николая Носова из книги «Незнайка на Луне». Поэтому теперь я вернусь к теме Солнечного Города.

Ранее в этом блоге я уже обращался к истории солнечных панелей и способам их оптимизации. Действительно, пока сложно всерьёз воспринимать идеи из разряда «застелить солнечными батареями значительную часть Сахары», во многом потому, что утилизация отработанных солнечных панелей ничуть не экологична. Однако уже существуют интересные проекты по встраиванию солнечных панелей в имеющуюся инфраструктуру, что позволяет переиспользовать её в качестве генератора энергии. Например, в 2023 году на Хабре вышла статья уважаемого @Zel «Действительно ли солнечные эксперименты неудачны?», где он упомянул о превращении в экспериментальные солнечные панели отдельных участков дорожного полотна в Европе. Небольшой обзор реализованных и ведущихся проектов такого рода на начало 2024 года (не только в Европе) приведён здесь, но в целом такая технология воспринимается с осторожным пессимизмом. Я же сегодня хочу рассказать о схожей технологии: в настоящее время разрабатываются прозрачные материалы для производства солнечных батарей, что позволило бы просто застеклить такими панелями высотные здания в районах с хорошей инсоляцией.

Новая страница в истории солнечных панелей открылась в августе 2014 года, когда исследователи из Мичиганского университета под руководством Ричарда Ланта представили первый прозрачный концентратор, накапливающий солнечную энергию. Теоретические основы разработки такого материала Лант совместно с Владимиром Буловичем из Массачусетского технологического института (MIT) изложили в статье «Transparent, near-infrared organic photovoltaic solar cells for window and energy-scavenging applications» в 2011 году.

Солнечные панели состоят из ячеек, преобразующих энергию солнечного света в электричество. Как правило, солнечные панели изготавливаются из кристаллического кремния и содержат три основных слоя: кремниевый, фосфорный и борный. Солнечные элементы образуют решётку, затем герметизируются для защиты и покрываются неотражающим стеклом, через которое свет свободно проникает на рабочую поверхность. Далее солнечные панели устанавливаются в прочной металлической раме, предотвращающей их деформацию. Наконец, солнечная панель оборудуется стоком, чтобы в ней не скапливалась вода.     

Прозрачные солнечные панели в продаже пока отсутствуют, но уже установлены и опробованы в некоторых сооружениях в Европе и США, о чём я расскажу ближе к концу статьи. Для таких панелей пока не подобрано общепринятое название, но чаще всего встречаются варианты «фотоэлектрическое стекло» или просто «солнечное стекло». Вот как выглядит этот рынок на ближайшие 5+ лет по данным сайта «Mordor Intelligence»:

Степень прозрачности солнечного стекла может отличаться, поэтому данные материалы, скорее всего, распределятся на несколько сортов.

В настоящее время центр разработки фотоэлектрического стекла находится в MIT. Потенциально можно будет полностью заменить такими прозрачными панелями любые оконные стёкла, и окна превратятся во (вспомогательные) генераторы энергии. Солнечное стекло поглощает свет только в инфракрасном и ультрафиолетовом спектре, а видимый свет беспрепятственно проникает через такие панели. По оценкам учёных, через солнечное стекло вполне можно запитать дисплеи, размещённые на стенах в комнате. Если покрыть солнечным стеклом фасад небоскрёба, то собранной энергии хватит, чтобы примерно на четверть обеспечить энергетические нужды здания — притом, что внешне оно совершенно не изменится. К 2020 году удалось добиться практически 100%-й прозрачности солнечного стекла. На следующей иллюстрации фрагмент такого стекла демонстрируют Владимир Булович и PhD Майлс Барр, оба — из Массачусетского технологического института.

Принцип работы

Естественно, чтобы получать электричество из света, нужно улавливать значительную часть фотонов и передавать их энергию относительно малоподвижным электронам. Для того, чтобы этот процесс затрагивал преимущественно фотоны ультрафиолетового спектра, а фотоны видимого света свободно проникали сквозь окно, стекло требуется заменить на прозрачный солнечный концентратор  (TLSC).

Люминесцентные солнечные концентраторы (LSC), разрабатываемые в MIT, являются многослойными и состоят из разноцветных пластиковых листов разной прозрачности. Листы делаются из специальных органических солей, предназначенных для поглощения ультрафиолетового и инфракрасного излучения на конкретных частотах. Затем эти фотоны переизлучаются уже с другой длиной волны (при этом оставаясь невидимыми). Переизлучённые фотоны поступают на фотоэлемент, который выглядит как полоска у края окна, и уже этот фотоэлемент генерирует электрическую энергию.

Состав ячеек и спектр поглощения

Развивая идею Ланта, массачусетская лаборатория разработала прозрачный фотоэлектрический элемент. Ниже показано, из каких слоёв он состоит, и как они работают. Самый толстый слой (слева) — это стекло, пластик или другой прозрачный субстрат, на который послойно наносятся вещества, улавливающие свет. Наиболее важна роль полупроводников-поглотителей, которые взаимодействуют друг с другом под действием света, создают электрическое поле и, соответственно, электрический ток. Эти слои вставляются между электродами, подключаемыми к внешней цепи, через которую ток питает потребители. Поскольку оба электрода должны быть прозрачными (а не просто металлическими) и при этом отражать именно ту часть солнечного спектра, которую мы собираемся преобразовывать в электричество. Также для такой панели потребуется антиотражающее покрытие, не уменьшающее её прозрачности, ведь весь отражённый свет — это в данном случае недоиспользованная энергия.  

Как понятно из этой схемы, прозрачный фотоэлектрический         элемент пропускает видимый свет, а улавливает ультрафиолетовое и ближнее инфракрасное излучение. Изучая работу такого устройства, исследователи из Массачусетса измерили отклик поглощения нового элемента (ниже обозначен чёрной кривой) и сравнили его с аналогичным показателем традиционной солнечной батареи (обозначен серой кривой). Традиционная солнечная панель сильно поглощает фотоны именно в области видимого спектра (свет с длиной волны от 400 до 700 нм), а у прозрачной панели этот пик сдвинут в сторону ультрафиолета. Именно в области видимого спектра коэффициент поглощения близок к нулю — соответственно, панель не уступает по прозрачности обычному стеклу.

Современные прозрачные фотоэлектрические ячейки пропускают более 70% видимого света, однако коэффициент полезного действия при преобразовании энергии у них остаётся низким — не более 10%. У первых образцов этот показатель был в районе 2%. Для сравнения: у обычных солнечных панелей этот показатель достигает 20% и более. В состав прозрачной части фотоэлемента входят слои оксида молибдена-серебра-оксида молибдена вида MoO₃/Ag/MoO₃, а также полупрозрачные наночастицы оксида титана TiO₂. Также существуют модели, где вместо диоксида титана могут использоваться оксид цинка ZnO или диоксид олова SnO₂.

Солнечные батареи из оргстекла

Аналогичные эксперименты ведутся в Японии, их вдохновителем является Итару Осака, возглавляющий в университете Хиросимы исследовательскую группу и лабораторию по совершенствованию фотоэлектрических элементов. Осака работает не с силикатами, а с пластиком (органическим стеклом). Он познакомился с такими разработками, будучи аспирантом Хидеки Сиракавы в университете Цукуба. В 1970-е годы Сиракава в коллаборации с американскими учёными Аланом Хигером и Аланом Мак-Диармидом научился изготавливать электропроводящий пластик. За это достижение они втроём были удостоены Нобелевской премии по химии в 2000 году с формулировкой «За открытие проводимости в полимерах».   

Первым π-сопряжённым полимером, у которого Сиракава с коллегами открыли электропроводящие свойства, был полиацетилен. Общая отличительная черта таких полимеров — чередование двойных и одиночных связей в цепочках углерода. ‘π-орбитали’, на которых содержатся электроны, формируются над двойными связями, частично перекрывая друг друга.

Если удалить электрон с π-орбитали методом допирования, то на неё может переместиться другой электрон с соседней π-орбитали, в свою очередь, освободив место, которое занимал ранее. Из-за такого движения электронов в пластике возникает ток, и вещество превращается в полупроводник.

В настоящее время группа Осаки занимается «сопряжёнными полимерами», разрабатывая на их основе органические фотоэлектрические ячейки. В отличие от более распространённых ячеек на кремниевой основе органические аналоги получаются более прозрачными и при этом гибкими. Поэтому ими можно покрывать изогнутые поверхности, например, стены зданий со сложной геометрией, а также теплицы или даже палатки. Производство и утилизация таких ячеек также должны получаться дешевле, чем в случае с кремниевыми панелями.

Основной недостаток π-сопряжённых полимеров по сравнению с кремниевыми заключается как раз в необходимости кристаллизации, к чему полимеры приспособлены плохо. Фотоэлектрический материал требуется тонким слоем располагать на подложке, чтобы он приобретал строгую правильную форму. Длинные молекулы полимеров больше похожи на нити, и располагать их на плёнке заданной величины и формы гораздо сложнее. Группа Осаки пытается осаждать π-сопряжённые полимеры в растворах, но пока эта работа остаётся на лабораторной стадии. Возможно, в органических солнечных панелях удастся использовать π-сопряжённые полимеры в качестве доноров электронов, а в роли акцепторов электронов подмешивать к ним фуллерены — молекулы из атомов углерода с наиболее частыми химическими формулами C₆₀ (по форме напоминает футбольный мяч) и C₇₀ (продолговатая как мяч для регби). Задача особенно нетривиальна потому, что сложно одновременно добиться хорошей смешиваемости органического материала и при этом высокой кристаллизации. Япония печально известна землетрясениями, наводнениями и прочими ударами стихии, поэтому Осака видит будущее своих разработок не столько в коммерческой, сколько в спасательной сфере. Из прозрачных полимерных солнечных панелей можно было бы изготавливать окна для палаток, либо зонтики, которые могли бы быстро накапливать солнечную энергию для экстренной зарядки телефона или другого небольшого устройства.

Перспективы применения в городах

Попробуем взвесить, зачем нам может потребоваться заменить современные солнечные батареи прозрачными. Такой переход может быть очень выгоден, и в первую очередь он продиктован урбанизацией. Источники энергии должны располагаться как можно ближе к потребителю, а крупные поля обычных солнечных батарей приходится размещать в пустынях или других отдалённых местах, кроме того, располагать панели нужно горизонтально или наклонно (застилать ими участки местности), а не вертикально. Напротив, если превратить в солнечные батареи фасадные окна небоскрёбов или стеклянные крыши, то такие энергетические площади будут действовать даже в плотной застройке от нескольких часов в сутки. По мнению Ричарда Ланта,   практически любую поверхность здания или участок местности можно превратить в солнечную батарею и генерировать электроэнергию, ничуть не меняя привычного ритма жизни и архитектурных стандартов. Поскольку прозрачные солнечные панели могли бы найти применение, прежде всего, в жарких урбанизированных регионах (Малайзия, Ява, Нигерия), полученной солнечной энергией можно было бы в первую очередь запитывать кондиционеры и холодильники, разгрузив за этот счёт коммунальные сети.  

Экспериментальные установки

По мнению Вивиан Лофтнесс, работающей в институте инновационной энергетики при университете Карнеги-Меллон, время коммерциализации прозрачных солнечных батарей пока не наступило. Окно для обычной квартиры, изготовленное из такого материала, стоило бы сегодня около $ 1000, а крупный лист, который мог бы ощутимо дополнять электроэнергию из коммунальной сети, стоил бы в несколько раз дороже, до $ 10 000. Прозрачные солнечные панели не могут давать стабильного притока энергии, а запасать генерируемую ими энергию пока невозможно, поэтому они, возможно, станут проникать в быт, когда их стоимость снизится хотя бы до $90 за квадратный метр. При этом, по оценке Лофтнесс, прозрачная солнечная панель при бережном обращении может прослужить до 50 лет, тогда как обычные солнечные панели для скатных крыш, как на иллюстрации выше, требуется заменять через 25-30 лет эксплуатации.

В настоящее время прозрачные солнечные панели уже используются на практике, но в основном в качестве дизайнерского изыска. Мне удалось найти всего несколько примеров, буду рад, если вы дополните этот список в комментариях.

Ниже показан фасад копенгагенской Международной Школы Дизайна. На нём расположено 12 000 цветных и прозрачных солнечных панелей, генерирующих более 200 мегаватт энергии в год. Это более половины энергии, уходящей на обслуживание здания.

Кроме того, вставки прозрачных солнечных панелей есть в крыше над путями лондонского вокзала Кингс-Кросс.

Наконец, такая панель установлена на входе в кампус факультета биомедицинских и физических наук Мичиганского университета — там, где технология и была изобретена. Площадь панели составляет 100 квадратных футов, и она генерирует достаточно энергии, чтобы питать светильники в атриуме здания.

В Мичиганском университете продолжается работа и над повышением КПД прозрачных солнечных панелей: в 2014 году этот показатель не превышал 1%, а в 2021 году пробил 10%.  Бесспорно, затруднительно менять на солнечные панели обычные окна в готовых небоскрёбах или участки стеклянных крыш. Но такие панели относительно несложно встраивать в фасад на этапе строительства небоскрёбов или ангаров, и на первом этапе работы они послужили бы неплохим подспорьем для энергообеспечения самой стройплощадки.