Багато роботи ведуться вченими досі, і в цій статті ми розглянемо п'ять незвичайних рішень, розробками яких займаються деякі з сучасних дослідників.
В американської національної лабораторії поновлюваних джерел енергії (NREL) побудована сонячна батарея на основі напівпровідникових кристалів, розміри яких не перевищують декількох нанометрів, це так звані квантові точки. Зразок вже є рекордсменом за показниками зовнішньої і внутрішньої квантової ефективності, які склали відповідно 114% і 130%.
Ці характеристики показують відношення кількості виконаних пар електронів-дірок до кількості падаючих на зразок фотонів (зовнішня квантова ефективність) і відношення кількості електронів генеруються до кількості поглинених фотонів (внутрішня квантова ефективність) для певної частоти.
Зовнішня квантова ефективність менше внутрішньої, оскільки не всі поглинені фотони беруть участь у генерації, а частина фотонів, що падають на панель, просто відбивається.
Зразок складається з наступних частин: скло у просвітлюючим покриттям, шар прозорого провідника, далі наноструктуровані шари оксиду цинку і квантових точок селеніду свинцю, потім этандитиол і гідразин, а в якості верхнього електрода тонкий шар золота.
Сумарний ККД такої комірки становить близько 4,5%, але цього досить для експериментально отриманої досить високої квантової ефективності даного поєднання матеріалів, і значить попереду оптимізація та вдосконалення.
Ще ні один сонячний елемент не показував зовнішню квантову ефективність вище 100%, в той час як унікальність даної розробки NREL і полягає в тому, що кожен фотон, що впав на батарею створює на виході більше однієї пари електрон-дірка.
Причиною успіху послужила множинна генерація екситонів (MEG), ― ефект, який вперше використаний для створення повноцінної сонячної батареї, здатної генерувати електрику. Інтенсивність ефекту пов'язана з параметрами матеріалу, з шириною забороненої зони в напівпровіднику, а також з енергією падаючого фотона.
Вирішальне значення має розмір кристала, оскільки саме в межах крихітного обсягу квантові точки обмежують носії заряду, і можуть збирати надлишкову енергію, інакше ця енергія б просто губилася у вигляді тепла.
В лабораторії вважають, що елементи на основі ефекту MEG – вельми гідні претенденти на звання сонячних батарей нового покоління.
Ще один незвичайний підхід до створення сонячних батарей запропонував Прашант Камат з університету Нотр-Дама. Його група розробила фарбу на основі квантових точок діоксиду титану, покритих сульфідом кадмію і селенидом кадмію, у формі водно-спиртової суміші.
Паста була нанесена на платівку зі скла з провідним шаром, потім був проведений випал, і в результаті вийшла фотогальванічна батарея. Підкладці, перетвореної в фотоелектричну панель, потрібно тільки електрод зверху, і можна отримувати електричний струм, помістивши її на сонце.
Вчені вважають, що в майбутньому можна буде створити фарбу для автомобілів і для будинків, і таким чином перетворити, скажімо, дах будинку, або кузов автомобіля, пофарбовані цієї особливою фарбою, сонячні панелі. Це і є головною метою дослідників.
Хоч ККД і не високий, всього 1%, що у 15 разів менше звичайних кремнієвих панелей, сонячна фарба може бути проведена у великих обсягах, і дуже недорого. Так можуть бути задоволені енергетичні потреби в майбутньому, вважають хіміки з групи Камат, називають своє дітище «Sun-Believable», що в перекладі означає «Сонячно-ймовірний».
Такий незвичайний спосіб перетворення сонячної енергії пропонують в Массачусетському технологічному інституті. Андреас Мершин з колегами створилиекспериментальні батареї на основі комплексу біологічних молекул, здатних «збирати» світло.
Фотосистема PS-1, запозичена у ціанобактерії Thermosynechococcus elongatus, була запропонована молекулярним біологом Шугуаном Чжаном та кількома його однодумцями ще за 8 років до початку нинішніх експериментів Андреасом Мершиным.
ККД систем вийшов лише близько 0,1%, проте це вже важливий крок на шляху масового впровадження у побут, адже витрати на створення таких пристроїв надзвичайно низькі, і взагалі, біологічні батареї можуть створювати самі їх власники, використовуючи набір хімічних реактивів і стіг свіжоскошеної трави. А між тим, ряд удосконалень дозволить підняти ККД до 1-2%, тобто до комерційно життєздатного рівня.
Колишні подібні осередки з фотосистемами могли задовільно працювати тільки під світлом лазера, сконцентрованим строго на комірці, і то лише у вузькому діапазоні довжин хвиль. До того ж були потрібні дорогі хімічні речовини та лабораторні умови.
Ще однією проблемою було те, що отримані з рослин молекулярні комплекси не могли існувати довго. Тепер же команда інституту розробила набір поверхнево активних пептидів, обволакивающих систему, і зберігають її на довгий час.
Підвищуючи ефективність збору світла, команда Массачусетського технологічного інституту вирішила проблему захисту фотосистем від ультрафіолету, який раніше ушкоджував фотосистему.
PS-1 висівали тепер не на гладкій підкладці, а на поверхні з дуже великою ефективною площею, це були трубки діоксиду титану товщиною 3,8 мкм з порами в 60 нм, і щільні стрижні оксиду цинку, висотою кілька мікрометрів і діаметром у кілька сотень нанометрів.
Ці варіанти фотоанода дозволили збільшити кількість молекул хлорофілу під світлом, і захистили комплекси PS-1 від ультрафіолетових променів, оскільки обидва матеріали добре їх поглинають. До того ж титанові трубки і цинкові стрижні грають ще і роль каркаса і виконують функцію переносників електронів, в той час як PS-1 збирає світло, засвоює його, і розділяє заряди, як це відбувається в живих клітинах.
Виставлена на сонці осередок дала напруга в 0,5 вольта при питомій потужності в 81 мікроват на квадратний сантиметр і щільності фотоструму 362 мкА на квадратний сантиметр, що в 10 разів вище, ніж у будь-якої іншої, відомої раніше, биофотовольтаики на основі натуральних фотосистем.
Якщо налагодити їх масове виробництво, то вони виявляться значно дешевше кремнієвих конкурентів, при тому, що вже досягнуто ККД у 10,9%. Тандемна полімерна сонячна батарея, створена групою вчених з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі (UCLA), має декілька шарів, кожен з яких працює зі своєю частиною спектру.
Вдале поєднання різних речовин, не заважають один одному за спільну роботу, ― ось найбільш важливий момент. Саме для цього автори спеціально розробили спряжені полімери з низкою забороненою зоною.
У 2011 році вченим вдалося отримати таку одношарову полімерну клітинку з ККД 6%, в той час як тандемна осередок показала ККД 8,62%. Працюючи далі, дослідники задалися метою розширити діапазон робочого спектру в інфрачервону область, і їм довелося додати полімер японської компанії Sumitomo Chemical, завдяки якому і вдалося досягти ККД 10,9%.
Ця найбільш успішна конструкція складається з передньої комірки з матеріалу з великою забороненою зоною, і з задньої клітинки, у якій заборонена зона вузька. Автори розробки стверджують, що створення такого перетворювача, включаючи вартість матеріалів, що не дуже дорого, до того ж сама технологія сумісна з випускаються сьогодні тонкоплівковими сонячними батареями.
Схоже, що в найближчі кілька років сонячні батареї на основі органічних полімерів стануть комерційно життєздатними, адже розробники планують підвищити їх ККД до 15%, тобто до рівня кремнієвих.
Завершують огляд супер тонкі сонячні батареї, які мають товщиною в 1,9 мкм, що в 10 разів тонше будь-яких інших, створених раніше, тонкоплівкових батарей. Спільними зусиллями японських та австрійських учених, створена тонка органічна надзвичайно гнучка сонячна батарея. На демонстрації виріб було обгорнуте навколо людського волоса діаметром 70мкм.
Для виготовлення батареї були застосовані традиційні матеріали, однак підкладка була виготовлена з поліетилентерефталату завтовшки 1,4 мкм. При ККД 4,2%, питома потужність нової сонячної батареї склала 10 Ватт на грам, що в цілому в 1000 разів перевершує відповідний показник батарей на основі мультікрісталліческого кремнію.
У зв'язку з цим представляється перспективним розвиток таких напрямків, як «розумний текстиль» і «розумна шкіра», де на додаток до сонячних батарей можуть бути і електронні мікросхеми, створені за аналогічною технологією, настільки ж тонкі і гнучкі.
