Будущее – за органическими солнечными панелями и биоинженерией

Понедельник, 19 Ноября 2018
Будущее – за органическими солнечными панелями и биоинженерией

Исследователи из университетов по всему миру пытаются повысить эффективность использования солнечных элементов из органических материалов. Ученые из Китая и Великобритании разработали полимерные клетки, изготовленные из углеродов и пластиков, в то время как канадские исследователи применили бактерии для преобразования света в энергию, используя методы естественного фотосинтеза. 

Солнечные элементы изготавливаются из полупроводниковых материалов. Эти материалы должны быть способны поглощать солнечный свет. Некоторые ячейки оптимизированы для поглощения солнечного света, который достигает Земли, в то время как другие оптимизированы для этого же, но в космосе. В конструкции входят односоставные солнечные элементы, выполненные из одного слоя светопоглощающего материала, и многоконтактные ячейки, выполненные из нескольких слоев.

Фотопанели также можно разделить на три вида. Обычные ячейки, изготовленные из кристаллического кремния, являются наиболее распространенными, а ячейки, использующие аморфный кремний, наиболее коммерчески значимые для фотоэлектрических электростанций и независимых солнечных энергетических систем.

В то же время как кристаллические кремниевые элементы обычно более эффективны, чем другие фотоэлектрические элементы. Но по мнению Мэтью Стоуна, директора по коммерциализации в компании по технологии возобновляемых технологий NextGen Nano, существует ряд проблем, требующих решения.

- В течение многих лет солнечные фотоэлектрические элементы страдают от проблем с эффективностью, долговечностью и стоимостью. Часть проблемы связана с кремнием, полупроводниковым материалом, традиционно используемым для превращения солнечной энергии в электричество. Коммерческие солнечные панели, использующие кремний, обычно являются хрупкими, дорогими и громоздкими, в лучшем случае генерируя энергию с эффективностью около 15% -17%, - отметил Стоун.

Он также считает, что «производство и переработка существующих солнечных панелей создают опасные материалы, такие как соединения кадмия, тетрахлорид кремния, гексафторэтан и свинец».

Но существует и третье поколение солнечных элементов, изготовленных из металлоорганических соединений. «Органическая» природа ячеек связана с использованием углеродных материалов вместо кремния. Органические фотоэлементы производятся из соединений, которые растворяются в чернилах и печатаются на тонких рулонах пластика. Они более гибкие, чем твердые панели из кремния.

Основной проблемой органических солнечных элементов является эффективность - мера того, сколько световой энергии может быть преобразовано в электрическую. Обычно кремниевые солнечные элементы имеют коэффициент эффективности около 15% -22%, за исключением некоторых новаторских устройство, например, как фотопанели созданные в Великобритании в прошлом году с КПД 27,3%.

Однако коэффициенты конверсии для органических ячеек в целом значительно ниже - примерно на 50% меньше, чем у кремниевых аналогов. Так было до тех пор, пока Генрих Янь из Гонконгского университета науки и технологий в сотрудничестве с физиком из Университета штата Северная Каролина Харальдом Аде разработали солнечный элемент из металлоорганических материалов, который достиг бы 14,2% эффективности (Национальная лаборатория по возобновляемым источникам энергии сертифицировала КПД 11,5%). Однако ячейка оказалась недостаточно стабильной в работе.

Предполагается, что органические ячейки с 20-летним сроком службы могут производить электроэнергию стоимостью менее 7 центов за киловатт-час. Согласно данным Управления энергетической информации США, средняя стоимость электроэнергии в США на 2017 год составила 10,5 центов за кВтч. 

Во всем мире ученые-химики и биоинженеры разрабатывают инновационные способы производства органических солнечных элементов с повышенной эффективностью.

В Китае исследователи из Университета Нанкай и Южно-Китайского технологического университета объединились с Национальным центром нанонауки и технологии в Пекине, чтобы совместно разработать органические солнечные элементы, изготовленные из углерода и пластика. Новый дизайн достиг КПД 17,3%.

- Органические солнечные элементы обладают рядом важных преимуществ. К ним относятся гибкость, низкая стоимость как инвестиционных, так и экологических аспектов, а также полупрозрачность. Активные материалы изготовлены из органических и пластмассовых материалов на основе углерода, которые делают ячейки гибкими, легкими и могут быть объединены со зданиями и различными структурами, - отметил доктор Йонгшенг Чен, профессор химии и материаловедения Университета Нанкай и член исследовательской группы.

Команда Йонгшенга сделала фотоэлемент из двух слоев различных активных органических материалов методом тандемных клеток. Каждый слой может поглощать свет на разных длинах волн, поэтому поглощает более широкий спектр солнечного света в течение дня.

Эти гибкие ячейки могут быть полупрозрачными и интегрированы в окна здания, автомобильную крышу, крылья самолета и даже одежду.

Между тем в Великобритании NextGen Nano разработала аналогичный органический полимерный солнечный элемент.

Тем временем канадские исследователи из Университета Британской Колумбии (UBC) создали «биогенные» солнечные элементы - используя бактерии E.coli для преобразования света в энергию, которое работает эффективно даже в условиях слабой освещенности.

Ученые UBC под руководством Викрамадитья Ядава, профессора кафедры химической и биологической инженерии, обнаружили дешевый и устойчивый метод с использованием бактерий. Генетические измененные бактерии E.coli использовали для производства значительного количества ликопина, красителя помидор, который придает им красноватый цвет и делает их особенно эффективными при улавливании света.

Группа покрывала бактерии E.coli с помощью полупроводникового минерала и наносила его на стеклянную поверхность, которая выступала в качестве анода на одном конце ячейки. Используя это, им удалось создать ток 0,686 миллиампер на квадратный сантиметр. По словам Ядава, это на 89,5% больше по сравнению с предыдущим показателем 0,362 миллиампера, достигнутым схожими проектами в этой области.

- Мы зафиксировали самую высокую плотность тока для биогенного солнечного элемента. Те гибридные материалы, которые мы разрабатываем, могут быть изготовлены экономически и устойчиво и с достаточной оптимизацией, они могут работать с такой же эффективностью, как и обычные солнечные элементы, - отметил Ядав.

Он добавил, что его команда оптимизировала процесс, который был ранее дорогостоящим и сложным. Метод UBC по производству ликопина может снизить затраты до 90%. В будущем команда хочет сберегать бактерии живыми более длительное время.

Следите за новостями в социальных сетях:

Спасибо, я уже в группе