Морщины и изгибы увеличивают мощность солнечных батарей

Для значительного увеличения выходной мощности гибких, недорогих солнечных элементов, учёные использовали микроскопические изгибы на поверхности фотоэлектрического материала, сообщает «WordScience.org».
22-го апреля 2012-го года команда исследователей во главе с учёными из Принстонского университета (Princeton University) в журнале «Nature Photonics» сообщила, что образование изгибов привело к увеличению выработки электроэнергии на 47 %. Исследователь Юэ-Лин (Линн) Лоо заявила, что тонкое калибрование изгибов на поверхности панели, также способствовало увеличению экспозиции света на фотоэлектрический материал.
«На плоской поверхности свет либо поглощается, либо приходит в норму», - сказала Лоо, профессор химической и биологической инженерии в Принстоне. «Добавив эти изгибы, мы создали своего рода волновод. И это новшество приводит к большему поглощению света».
Работа исследовательской группы включает в себя фотоэлектрические системы, сделанные из относительно дешёвого пластика. Текущие солнечные панели, как правило, сделаны из кремния, который является более хрупким и дорогим, нежели пластик. До сих пор пластиковые панели не смогли обрести широкое применение, так как они производили слишком мало энергии.
Работа исследователей заключалась в увеличении эффективности пластиковых панелей с целью создания дешёвых и гибких источников солнечной энергии.
Если учёным удастся повысить эту эффективность, то материал сможет производить электроэнергию из большого количества других поверхностей (вставки в оконных панелях, накладки на наружных стенах).
«Это гибкий и лёгких материал имеет весьма низкую стоимость», сказала Лоо.
В большинстве случаев исследователи заостряли своё внимание на повышении эффективности самого пластикового фотоэлектрического материала. Последние события были многообещающими: команда из Калифорнийского университета (UCLA) недавно объявила о системе, смысл которой заключался в увеличении эффективности на 10,6 %. Это приближение к 10-ти процентному уровню рассматривалось в качестве мишени для коммерческого развития.
Лоо сказала, что метод «изгиба» обещает увеличить эти цифры. Поскольку техника работает со многими типами пластиковых фотоэлектрических материалов, она должна обеспечить повышение эффективности во всех направлениях.
«Это очень простой процесс, который можно применить к любым материалам», - подметила она. «Мы протестировали его с другими полимерами - он работает также хорошо».
Учёные в течение очень длительного времени при помощи данного материала «изгибают» свет и направляют его внутрь фотоэлектрического материала, что приводит к большему поглощению света и генерации энергии.
«Я ожидал, что это приведёт к увеличению фототока, так как изогнутая поверхность очень подобна морфологии листьев, то есть естественной системе с высокой эффективностью сбора света», - сказал Ким - доктор, исследователь в химической и биологической инженерии.
«Однако, когда я фактически построил солнечные батареи на лицевой стороне изогнутой поверхности, их эффект оказался намного лучше, чем я ожидал».
Хотя этот метод приводит к общему повышению эффективности, результаты были особенно значительными на красной стороне светового спектра, которая имеет самую длинную волну видимого света.
При увеличении длины волны света, эффективность обычных солнечных батарей понижается радикально и при этом свет почти не поглощается, поскольку спектр приближается к инфракрасному диапазону. Исследователи обнаружили, что новая техника увеличивает поглощения в этой части спектра примерно на 600 %. «Если посмотреть на солнечный спектр, то можно увидеть, что там имеется большое количество солнечного света, который теряется впустую», - сказала Лоо. «Это и есть путь к повышению эффективности».
Команда исследователей создала ту самую изогнутую поверхность в механическом и аэрокосмическом техническом отделе лаборатории «Howard Stone’s», тщательно обрабатывая слой жидкого фотографического клея ультрафиолетовым светом.
Мелкая рябь была классифицирована, как морщины, а более глубокая - изгибами. Учёные обнаружили, что поверхность, содержащая комбинацию морщин и изгибов, приводит к наилучшим результатам. Несмотря на то, что в основе процесса лежит сложная математика, фактическое производство является довольно-таки простым. Лоо добавила, что это будет весьма удобно и практично для промышленных целей.
«Всё зависит от того, что мы хотим воспроизвести - морщины или изгибы», - сказала Лоо. «Контролируя напряжение, мы можем создавать любое количество того или иного».
Ещё одним преимуществом этого процесса является то, что он повышает прочность панелей солнечных батарей, облегчая механическое напряжение от изгиба.
Исследователи обнаружили, что панели с изогнутыми поверхностями смогли сохранить свою эффективность даже после изгиба. Производство энергии стандартной пластиковой панелью будет уменьшено на 70 % после прохождения изгибов.
Лоо сказала, что исследователи обратили своё внимание на листья. Вроде простой объект, но - это чудо природной инженерии. Его зелёная поверхность идеально построена для того, чтобы управлять светом, вследствие чего поглощается максимальное количество солнечной энергии, которая послужит в качестве питательных веществ для дерева.
В недавней работе Пилнам Ким - доктор, исследователь из лаборатории Стоуна смог объяснить, как эти микроскопические структуры могут быть применены к синтетическим устройствам.
«Если внимательно посмотреть на листья, то можно увидеть, что они не гладкие, у них есть своего рода аналогичные структуры», - подметила Лоо, которая также является заместителем директора «Princeton’s Andlinger Center for Energy». «Мы хотели бы сымитировать этот геометрический эффект в синтетических и искусственных светособирающих системах».