В Университете Ньюкасла разрабатывают новые революционные фотопанели, основанные на гибких органических фотовольтаических солнечных элементах (OPV), которые могут быть напечатаны на пластиковой пленке или листах в большом количестве по низкой цене.
Как таковые, печатные органические солнечные элементы обещают еще больше революционизировать возобновляемые источники энергии, сделав солнечные элементы достаточно прозрачными и гибкими, чтобы их можно было размешать на стенах зданий, транспортных средствах и предметах повседневного потребления.
Это революция, обещанная 10 лет назад американской фирмой Konarka, за но компания так и не смогла снизить издержки в достаточной мере и обанкротилась в 2012 году.
Теперь же команда австралийских ученых во главе с профессором Полом Дастуром смогла решить эту задачу.
Солнечная фотоэлектрическая революция первого поколения была основана на солнечных элементах из поликристаллического кремния, которые жестко соединены и обрамлены.
Они могут быть соединены вместе в «панель», а затем панели могут быть подключены к солнечному модулю, который может иметь мощность в несколько кВт. При объединении они могут создавать солнечные электростанции, которые вырабатывают гигаватты электричества.
Технология, лежащая в основе ячеек первого поколения, представляет собой pn-переходный транзистор; панели изготавливаются при сложных полупроводниковых процессах, которые требуют высоких температур и закрытого контроля производства.
Второе поколение солнечной фотовольтаики использовало различные «тонкопленочные» процессы, в которых тонкая пленка светочувствительного материала осаждалась на стекле, например арсенид галлия (GaAs) или CIGS (селенид меди-индия-галлия).
Эти солнечные элементы второго поколения могут извлекать больше энергии из солнечного света в зависимости от количества используемых пленок, для получения гибридных или тандемных клеток, — но они подвержены одному и тому же ограничению, что первое поколение, которое необходимо нанести на стекло, что стоит дорого и не дает гибкости.
Теперь ряд солнечных элементов третьего поколения способен преодолеть это ограничение, используя нечувствительные к кремнию фоточувствительные материалы и печататься на полимерных листах (например, пластика), что сделает их легкими, гибкими и недорогими.
Главные соперники фотоорганики — перовскитовные материалы (доступные, дешевые, но еще недостаточно стабильные для массового использования), а также органические полимерные клетки, где фоточувствительный материал основан на молекулах углерода.
Органические солнечные элементы обладают большой надежностью, потому что светочувствительный материал может быть сконцентрирован в «чернила» и осажден при низкой температуре на большой площади дешевого пластика посредством обычного процесса печати.
Именно эти печатные гибкие органические солнечные элементы разрабатываются профессором Дастуром и его командой в Университете Ньюкасла, в Приоритетном исследовательском центре органической электроники и Институте энергетики и ресурсов Ньюкасла (NIER).
Ключевой особенностью органических фотоэлементов является то, что они не содержат токсичных ингредиентов.
Разница между тем, что делается в Ньюкасле и тем, что было сделано Konarka 10 лет назад, — это новый акцент на расходах, который позволит максимально снизить стоимость различных массовых светочувствительных материалов. Профессор Дастур объяснил, что новый подход к затратам является гигантским шагом вперед для солнечных батарей третьей генерации.
Команда из Ньюкасла работает над созданием работоспособного прототипа солнечной фотоэлектрической решетки. Это было достигнуто благодаря первой в мире 200-метровой солнечной электростанции на крыше промышленного комплекса вблизи Ньюкасла.
Как работают органические солнечные батареи третьего поколения?
Профессор Дастур и его команда считают, что они смогут печатать эти солнечные батареи по цене менее чем за 10 долларов за квадратный метр, потому что этот процесс не сложный и использует обильные и недорогие материалы при стандартной технологии печати. Масштабируя до коммерческих масштабов, затраты будут составлять менее 10 миллионов долларов за квадратный километр.
Этого было бы достаточно, чтобы покрыть несколько блоков городских зданий собственными генераторами энергии. При нереалистично низком уровне эффективности преобразования 1% будет означать, что система могла бы производить 10 МВт с площади в 1 км2.
Профессор Дастур считает, что реальностью для этой технологии является от 20 до 30 МВт на км2. Но для этого эффективность преобразования солнечного света должна была быть повышена в 2-3 раза.
Также органическая солнечная энергия может использоваться в теплицах.