Прозрачное электричество: созданы сверхтонкие солнечные элементы для окон небоскребов

Одной из главных преград для масштабного внедрения солнечной энергетики в крупных городах является дефицит свободного пространства. Установка массивных панелей на крышах не способна полностью покрыть энергопотребление высотных зданий, а свободные земельные участки в мегаполисах практически отсутствуют. Группа исследователей из Наньянского технологического университета в Сингапуре предложила решение этой проблемы, разработав полупрозрачные солнечные элементы, которые можно интегрировать непосредственно в оконные стекла.

Рекордная толщина и новые возможности

Разработчики создали ультратонкие перовскитные солнечные элементы, толщина которых примерно в 10 000 раз меньше диаметра человеческого волоса и в 50 раз меньше стандартных аналогичных элементов из перовскита. При этом новые устройства сохраняют высокие показатели эффективности для своего класса.

Обычные коммерческие кремниевые панели представляют собой тяжелые конструкции. Вес одной такой панели составляет от 18 до 23 кг при мощности около 350–450 Вт в идеальных условиях. Покрыть ими стеклянные фасады небоскребов невозможно из-за избыточного веса, изменения тепловых характеристик и внешнего вида здания. Новые элементы толщиной всего 10 нанометров решают эту проблему. Для сравнения: толщина человеческого волоса составляет от 80 000 до 100 000 нанометров.

В отличие от кремниевых батарей, перовскитные элементы эффективно работают не только под прямыми солнечными лучами, но и при рассеянном освещении. Это критически важно для плотной городской застройки, где высотные здания создают глубокие тени, а облачность часто снижает уровень прямой инсоляции. Вместо использования только крыш, ориентированных на солнце, вертикальные стеклянные поверхности целых городских кварталов теоретически могут вырабатывать энергию в течение всего дня.

Поиск компромисса между прозрачностью и эффективностью

Основная инженерная трудность при создании прозрачных фотоэлементов заключается в физике процесса: чем прозрачнее панель, тем меньше света она поглощает и тем меньше электричества вырабатывает. Сингапурские ученые протестировали несколько вариантов структуры:

• Непрозрачные образцы толщиной 10, 30 и 60 нанометров показали эффективность преобразования энергии на уровне 7%, 11% и 12% соответственно.
• Полупрозрачная версия с активным слоем толщиной 60 нанометров продемонстрировала эффективность 7,6%, пропуская при этом около 41% видимого света.

Разработанные элементы нейтральны по цвету, то есть они не будут сильно тонировать стекла или изменять эстетический облик современных зданий. Степень прозрачности можно регулировать непосредственно в процессе производства, меняя толщину наносимого перовскитного слоя.

Технология промышленного масштабирования

Главным достижением исследовательской группы стал метод производства. Для нанесения слоев ученые применили метод термического испарения в вакууме. Эта технология уже широко используется в полупроводниковой промышленности и производстве дисплеев.

В отличие от жидкостных химических методов, обычно применяемых в лабораториях, вакуумное напыление позволяет получать однородные сверхтонкие пленки большой площади с высокой точностью контроля толщины. Метод исключает использование токсичных растворителей и минимизирует количество структурных дефектов.

По оценкам авторов проекта, если масштабировать технологию, то оснащение подобным остеклением одного крупного небоскреба позволит вырабатывать сотни мегаватт-часов электроэнергии в год. Этого объема достаточно для обеспечения электричеством примерно 40 средних жилых домов.

Технические барьеры и коммерческое будущее

На долю зданий и инфраструктуры приходится около 40% мирового потребления энергии, поэтому технологии интеграции фотоэлементов в строительные конструкции становятся крайне востребованными. Однако на пути к массовому рынку остается ключевая проблема перовскитов — их долговечность. Данный материал чувствителен к воздействию влаги, кислорода, тепла и ультрафиолетового излучения.

По мнению независимых экспертов, следующим критическим шагом для технологии должна стать проверка стабильности ее работы в долгосрочной перспективе, а также подтверждение эффективности на панелях большой площади. Одно дело — создать работающий прототип в лаборатории, и совсем другое — наладить выпуск тысяч квадратных метров бездефектного стекла.

В случае успешного решения проблем со стабильностью, технология найдет применение во многих сферах:

• Энергоэффективное остекление высотных зданий;
• Автомобильные люки и стекла пассажирского транспорта;
• Умные очки и портативная носимая электроника.

В настоящее время исследовательская группа уже подала патентную заявку на структуру ультратонкой перовскитной пленки и ведет переговоры с промышленными партнерами для стандартизации процесса вакуумного производства.