Большинство материалов, которые используются в солнечных панелях, способны хранить энергию Солнца в течение всего нескольких микросекунд. Ученые из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (КУЛА) разрабатывают кардинально новую технологию, которая позволит сберегать солнечную энергию в течение нескольких недель. Результаты исследования были опубликованы 19 июня в научном журнале Science.
На такую идею химиков натолкнуло явление фотосинтеза растений – процесса поглощения, изменения и использования квантов света при помощи воды, воздуха и света в энергию.
— Биология делает очень хорошую работу по созданию энергии из солнечного света. Растения делают это при помощи фотосинтеза с очень высокой эффективностью. В процессе фотосинтеза растения превращают солнечный свет благодаря тщательно организованным наноразмерным структурам в своих клетках быстро разделяя заряды — отталкивая электроны от положительно заряженной молекулы, что позволяет сохранять положительные и отрицательные заряды разделен. Это разделение играет ключевую роль в процессе, делая его настолько эффективным, — заявила одна из авторов исследования, профессор химии КУЛА Сара Тольберт.
Для захвата энергии из солнечного света, обычные солнечные ячейки, которые установлены на большинстве крыш, используют кремний — довольно дорогой материал. В настоящее время ученые ищут способ создать более дешевый аналог из пластика. Однако, современные пластиковые панели очень неэффективные в значительной степени потому, что разделенные положительные и отрицательные электрические заряды часто рекомбинируют прежде, чем они могут стать электрической энергией.
— Современные пластиковые солнечные элементы не имеют четко определенных структур, как у растений, потому что раньше мы не знали как сделать их раньше. Но эта новая система отталкивает заряды друг от друга и держит их порознь в течение нескольких дней, или даже недель. После создания правильной структуры можно значительно улучшить сохранение энергии, — заявила исследователь.
Два компонента, которые делают разработку КУЛА эффективной, это полимер-доноры и наноразмерный фуллереновый акцептор. Полимер-донор поглощает солнечный свет и пропускает электроны фуллереновому акцептору. Этот процесс генерирует электрическую энергию.
Пластиковый материал, называемый органической фотовольтаикой, организован в виде тарелки макарон – хаотичная масса длинных тонких полимерных «спагетти» со случайными фуллереновыми «фрикадельками». Такое расположение делает процесс получения тока из ячейки очень сложным, потому что электроны иногда возвращаются назад полимерные «спагетти» и теряются.
Технология КУЛА упорядочивает элементы более аккуратно — как точно разложенные маленькие пучки сырых спагетти с фрикадельками. Некоторые фуллереновые «фрикадельки» предназначены, чтобы быть внутри массы пучков «спагетти», другие же остаются снаружи.
Фуллерены внутри структуры принимают электроны из полимеров и выталкивают их за фуллерен, что позволяет эффективно держать электроны раздельно от полимера в течение нескольких недель.
Но материалы должны быть размещены в непосредственной близости.
К тому же, новая разработка экологически чище, чем современных технологий, потому что материалы можно собирать в воде, а не в токсичных органических растворах, как это делается сейчас.
Также исследователи уже работают над тем, как включить эту технологию в настоящие солнечные батарей.