Репортаж от Wedoany，Представьте себе такую картину: автомобиль стоит на солнце, а его окна и люк попутно заряжают аккумулятор; или вы носите умные очки, линзы которых сами собирают свет и напрямую питают электронные компоненты в оправе.

С разработкой учеными из Наньянского технологического университета (NTU Singapore) совершенно новой ультратонкой прозрачной солнечной батареи эти фантастические представления стали еще на шаг ближе к реальности.

Под руководством доцента Аннализы Бруно (Annalisa Bruno) исследовательская группа создала ультратонкий прозрачный перовскитный солнечный элемент. Его толщина составляет всего одну десятитысячную толщины человеческого волоса, что в пятьдесят раз тоньше традиционных перовскитных элементов.

Что еще более примечательно, несмотря на значительное уменьшение толщины, фотоэлектрическая эффективность преобразования этой батареи достигла нового рекорда среди аналогичных ультратонких перовскитных солнечных элементов на сегодняшний день.

Соответствующие результаты уже опубликованы в журнале «ACS Energy Letters». Исследователи полагают, что в будущем эта технология, практически не изменяя внешний вид, может найти широкое применение в зданиях, автомобилях и носимых устройствах.

Эта батарея имеет полупрозрачный и нейтральный оттенок, поэтому ее можно встраивать в окна или фасады зданий, позволяя всему зданию вырабатывать электроэнергию при практически неизменном внешнем виде.

«Около 40% мирового потребления энергии приходится на строительный сектор, поэтому потребность в технологиях, способных превращать фасады зданий в генераторы энергии, становится все более острой», — говорит доцент Бруно из Школы физических и математических наук и Школы материаловедения и инженерии Наньянского технологического университета.

Профессор Бруно, руководитель кластера возобновляемых источников энергии, низкоуглеродных решений и накопления энергии в Энергетическом исследовательском институте Наньянского технологического университета, добавила: «Преимущества наших перовскитных батарей очевидны: простой производственный процесс, возможность производства при низких температурах. Кроме того, можно регулировать поглощение света определенных длин волн в зависимости от потребностей, сохраняя при этом прозрачность. Также они обладают потенциалом для крупномасштабного производства, что снижает общий углеродный след».

В отличие от традиционных кремниевых солнечных панелей, эти перовскитные батареи могут продолжать вырабатывать электроэнергию даже в условиях непрямого и рассеянного света. Это особенно актуально для таких плотных городских сред, как Сингапур, где преобладают высотные здания с вертикальными фасадами, а также частая облачность, из-за чего традиционные солнечные панели часто не могут эффективно использовать солнечный свет.

Исследовательская группа приводит пример: если технология будет масштабирована в будущем, большие стеклянные фасады перестанут быть просто оболочкой здания и могут стать городскими электростанциями.

Согласно предварительным расчетам, если применить эту технологию в офисных зданиях со стеклянными фасадами в таких районах, как Райффлз-Плейс (Raffles Place) или Марина-Бэй (Marina Bay), теоретическая годовая выработка электроэнергии может достичь сотен тысяч киловатт-часов.

Конкретное количество вырабатываемой электроэнергии зависит от площади остекления и ориентации здания, но его годовая мощность может быть достаточной для удовлетворения годовых потребностей в электроэнергии примерно 100 стандартных четырехкомнатных квартир Управления жилищного строительства и развития Сингапура.

Создание почти невидимых солнечных батарей

Перовскитные солнечные элементы на самом деле состоят из многослойной структуры, ключевым элементом которой является слой полупроводника, поглощающий солнечный свет и преобразующий его в электричество.

Чтобы создать такую ультратонкую батарею, команда NTU использовала промышленно совместимый метод — процесс термического испарения. Проще говоря, исходный материал сначала нагревают в вакуумной камере до испарения, а затем он конденсируется и осаждается на поверхности подложки, образуя чрезвычайно тонкую пленку.

Преимущество этого метода в том, что он позволяет осаждать равномерный и тонкий слой перовскита на больших площадях. Кроме того, весь процесс не требует использования токсичных растворителей, а также позволяет уменьшить количество дефектов внутри батареи, повышая эффективность фотоэлектрического преобразования.

Точно регулируя параметры процесса, исследователям удалось контролировать толщину слоя перовскита и создать как непрозрачные, так и полупрозрачные элементы батареи.

Команда заявляет, что это первый в мире случай, когда ультратонкий перовскитный солнечный элемент был полностью изготовлен с использованием вакуумного процесса. Это означает, что технология сделала еще один большой шаг к будущему крупномасштабному промышленному производству.

Благодаря этой технологии исследователям удалось сделать поглощающий слой перовскита толщиной всего 10 нанометров, сохранив при этом значительную производительность по выработке электроэнергии.

При толщине слоя перовскита 10, 30 и 60 нанометров фотоэлектрическая эффективность преобразования непрозрачных батарей достигла примерно 7%, 11% и 12% соответственно.

А полупрозрачная батарея толщиной 60 нанометров, пропуская около 41% видимого света, все же достигла эффективности выработки электроэнергии в 7,6%.

Исследовательская группа заявляет, что эта производительность уже находится на передовом уровне среди аналогичных полупрозрачных перовскитных солнечных элементов.

Это означает, что в будущем окна зданий смогут сохранять освещенность и прозрачность, одновременно вырабатывая электроэнергию. Это имеет большое значение для солнечных окон, стеклянных фасадов или тонированных фасадов зданий.

Первый автор статьи, бывший докторант Энергетического исследовательского института Наньянского технологического университета доктор Люк Уайт (Luke White), сказал: «Благодаря точному контролю процесса термического испарения исследователи уже могут свободно регулировать прозрачность солнечных батарей. Это открывает новые возможности для "зеленого" строительства, например, установка тонированных окон, которые одновременно обеспечивают затенение и вырабатывают электроэнергию».

Профессор Сэм Странкс (Sam Stranks), профессор энергетических материалов и оптоэлектроники на кафедре химической инженерии и биотехнологии Кембриджского университета, также выступил в качестве независимого эксперта: «Этот метод обеспечивает очень точный контроль толщины и однородности пленки, что является ключевым условием для будущего крупномасштабного коммерческого применения полупрозрачных солнечных элементов».

«Полупрозрачные перовскитные батареи — это захватывающее технологическое направление, которое позволяет нам собирать энергию в местах, где традиционные кремниевые панели малоэффективны, например, на окнах, фасадах и даже в легких электронных устройствах».

«Текущие результаты демонстрируют хороший баланс между прозрачностью и выработкой электроэнергии. Однако решающим фактором для внедрения технологии в будущем станут ее долгосрочная стабильность, долговечность и производительность при крупномасштабном применении».

Непрерывное энергоснабжение городов

Профессор Бруно уже давно работает в области перовскитной солнечной энергетики, и ее предыдущие исследования по термически испаряемым перовскитным батареям начали переходить в промышленность. Это не только способствовало развитию всей отрасли, но и проложило путь к будущей промышленной реализации.

Ее инновационные достижения также получили значительную поддержку от Программы инноваций и предпринимательства Наньянского технологического университета. Эта программа направлена на помощь научным группам в ускорении продвижения передовых технологий из лаборатории в промышленность.

В настоящее время команда уже подала заявку на патент на ультратонкую перовскитную пленку новой структуры через компанию по трансферу технологий университета NTUitive.

Сейчас исследователи ведут переговоры с предприятиями, чтобы проверить и стандартизировать процесс термического испарения, использованный в этом исследовании. Перед официальным выходом на рынок им предстоит продолжить работу над повышением долгосрочной стабильности, долговечности и производительности батарей при крупномасштабном производстве.

По мере того как города становятся все более перегруженными, а потребность в электроэнергии растет, здания переосмысливаются: они больше не являются просто потребителями энергии, а становятся потенциальными производителями чистой энергии.

Сегодня солнечные панели на крышах уже довольно распространены, но вертикальные поверхности зданий, такие как окна и целые стеклянные фасады, остаются огромным неосвоенным "голубым океаном".

Этот прорыв стал ключевым шагом на пути интеграции прозрачных солнечных батарей в здания, автомобили, носимые устройства и другие области. Это также означает, что города будущего смогут самостоятельно производить больше чистой электроэнергии, не занимая дополнительных земельных ресурсов.

Данный материал скомпилирован платформой Wedoany. При цитировании материалов, созданных с помощью искусственного интеллекта (ИИ), необходимо обязательно указывать источник — «Wedoany». В случае выявления нарушения прав или иных проблем просим своевременно информировать нас. Сайт оперативно внесёт изменения или удалит материал.Электронная почта: news@wedoany.com