Электричество от Солнца и нагретой им Земли

Мириады наноантенн переправят в сеть ночной жар Земли

Исследователи из Hациональной лаборатории Айдахо (Idaho National Laboratory — INL) в сотрудничестве со специалистами из американской компании MicroContinuum и университета Миссури (University of Missouri) создали удивительный прототип солнечной батареи, за которую получили в прошлом году престижную премию Nano 50.

nano_antenny0.jpg

Создатели новой батареи: Дейл Коттер (Dale Kotter), Стивен Новак (Steven Novack) и Джуди Партин (Judy Partin)

В список 50 лучших изобретений года в области нанотехнологий вошли решётки из наноантенн, отпечатанные на тонкой и гибкой подложке. Новизна подхода учёных из INL заключается в том, что они намерены при помощи таких хитроумных «завитков» получать электричество.

О том, что для электромагнитных волн видимого диапазона можно строить антенны наподобие радиоантенн (только в соответствующем масштабе), учёные знают сравнительно давно. О первой такой работе мы рассказывали. А вот исследователи из INL повторили аналогичный трюк для ИК-излучения.

Изобретатели пишут, что каждая такая спираль имеет поперечник в 0,04 диаметра человеческого волоса (то есть получается, что диаметр антенны составляет порядка 2–4 мкм). Это сопоставимо с длинами волн инфракрасной части спектра.

Падение ИК-лучей на такую спираль наводит в ней напряжение. Сама идея получения тока от света не за счёт фотоэффекта, а по принципу металлической антенны — не нова. Проблема в том, как реализовать этот принцип на практике.

Это непросто. К примеру, огромное число антенн, плотно упакованных на подложке, при приёме волн создают поля, влияющие на соседние антенны и вообще — на материалы устройства.

Чтобы понять, как будет работать большая плёнка с «кучей» антенн на ней, учёные разработали компьютерные модели, предсказывающие свойства отдельных спиралей, а также рассчитывающие резонансные процессы в сложной системе из миллиардов таких элементов. Меняя в компьютере геометрию антенн и их материал, экспериментаторы подбирают оптимальные параметры батареи для «сбора солнечного урожая».

nano_antenny1.jpg

Опытный образец решётки из наноантенн, напечатанных на подложке

Помимо этого, напряжение в каждой такой антенне — переменное, и его частота очень велика (в показанном прототипе — десять терагерц). Как преобразовать такое напряжение в постоянное — большой вопрос. Физики ещё думают над различными способами решения данной проблемы, например, за счёт одновременной печати рядом с наноантеннами миллионов микроскопических конденсаторов и специальных «быстродействующих» диодов.

И пусть найти хороший способ преобразования переменного тока будет непросто, зато, по оценке INL, каждая наноантенна может обращать в электричество целых 80% доступной ей световой энергии.

Не вполне ясно, как именно считали создатели устройства его эффективность. Ведь на ИК-часть спектра излучения приходится примерно 45% общей энергии, которую несут лучи Солнца. Если считать, что показанные антенны преобразуют в ток 80% от энергии именно ИК-лучей, получится, что КПД такой солнечной батареи составит 36% или даже несколько меньше, в зависимости от плотности печати антенн на подложке.

Но и это — прекрасный показатель, пусть теперь уже и не рекорд. Массовые солнечные батареи до такого уровня эффективности ещё не добрались.

А ведь преимущество новой разработки перед классическими солнечными батареями одним КПД не ограничивается.

Во-первых, утверждают авторы исследования, такая батарея сможет выдавать ток даже ночью.

Речь вовсе не идёт о сборе света звёзд или Луны (заметим, очень слабого по сравнению с прямым солнечным, к тому же исчезающего в облачную погоду), а об утилизации ИК-лучей, которые испускает ночью Земля, а также здания, асфальтовые дороги и площади, нагретые за день солнечными лучами.

Как поясняют разработчики в пресс-релизе лаборатории, в течение нескольких часов после захода Солнца земля выдаёт приличное количество энергии в виде ИК-излучения. Это и позволяет продлить работу новых батарей намного дольше светового дня.

Ну а, во-вторых, плёнка с наноантеннами гораздо дешевле классических солнечных батарей.

Учёные также отмечают, что обычно изделия, созданные с применением нанотехнологий, обладают поперечником в считанные сантиметры. А для своего «поля наноантенн» его изобретатели разработали специальную технологию, позволяющую выпускать изделия (полимерную плёнку со столь сложным по рисунку нанопокрытием) метрового масштаба.

Забавно, что для создания опытного образца такой экзотической солнечной батареи специалисты из INL воспользовались полиэтиленовым мешком, в котором в лабораторию привезли пачку The Wall Street Journal. Эта плёнка оказалась как раз подходящей толщины.

nano_antenny.jpg

Стивен Новак (Steven Novack) держит образец плёнки

Так что в качестве основы для новых панелей можно применять вторсырьё или просто недорогую плёнку, пусть и новую. Что до металла, то его расход ничтожен — толщина узорного проводящего покрытия в новой батарее составляет всего тысячу атомов.

Изобретатели панели считают, что в будущем на гибкой плёнке можно будет печатать сразу несколько типов преобразователей. Причём с обеих сторон. Таким образом, солнечные батареи будущего смогут преобразовывать в ток широкий спектр излучения, как идущего от Солнца напрямую, так и отражённого от земли, а ещё и излучение, выдаваемое грунтом и асфальтом ночью.

Уже не впервые исследователи пробуют поднять КПД превращения солнечного света в электричество и снизить стоимость солнечной энергии, придумывая экзотические варианты генераторов (как, например, в этом любопытном проекте термоэлектрического солнечного генератора: http://www.membrana.ru/…/150500.html ).

Какой вариант окажется самым жизнеспособным, предсказать сложно. Сами учёные из INL утверждают, что им потребуется всего несколько лет для того, чтобы довести идею, заложенную в технологии ИК-наноантенн, до промышленной реализации и вывода на рынок.

http://www.membrana.ru/…/183800.html

Harvesting the sun's energy with antennas

http://www.inl.gov/…-12-17.shtml

Ну какие молодцы! Не устаю восхищаться и повторять, что, дескать, «голь на выдумки хитра» (в хорошем смысле). Причём, в данном случае при описании данного «эксперимента» прямо очевидным становится сам ПРОЦЕСС создания этого изобретения: одна («основная») концепция прибора дополняется серией других – «подчинённых» концепций, появляющихся по мере возникновения проблем на пути создания полноценного прибора, и поиска путей для их решения… Так и кажется, что авторы не просто решают серьёзную техническую проблему, а прямо-таки «играют» в «кубик Рубика», пытаясь сложить «паззл»/решить трудную головоломку. Вот именно этот азарт исследователя/первооткрывателя и придаёт всем изобретателям такую интеллектуальную мощь, настойчивость и целеустремлённость. В таком состоянии они готовы горы свернуть на пути к достижению успеха… Вот бы и у наших изобретателей и учёных появились подобные стимулы к творчеству (разумеется, помимо материальных! ;-)) Тогда можно было бы быть спокойным за развитие отечественных нанотехнологий…



nikst аватар

СВЕТ – НЕ ТОЛЬКО С НЕБА

Производители солнечных ячеек готовят человечество к ситуации, когда Солнце будет светить не только днем с неба, но и ночью из домашних светильников. «Солнечная фотовольтаическая промышленность достигнет сетевого паритета 1 в течение 5 лет» — это предсказание принадлежит Stephen O'Rourke, главному аналитику по полупроводниковому оборудованию и материалам Дойчес Банка [1].

Несмотря на жалобы компаний-производителей солнечных ячеек на нехватку исходного сырья — поликристаллического кремния, емкость установленных в 2007 г. солнечных фотовольтаических панелей достигла рекордного значения – 2826 МВт, что на 62% выше достижения 2006 г. (согласно оценкам компании Solarbuzz LLC, занимающейся консалтинговыми услугами в области солнечной энергетики) [2].

Общее производство поликристаллического кремния в 2007 г. возросло на 30%, в течение года стартовало более 20 новых производств поликремния. Общий объем «солнечного» рынка в 2007 г. составил 17,2 млрд. долл. Японские производители уступили первую позицию Китаю, произведя 26% мировой продукции солнечных элементов в сравнении 35% китайских производителей.

Компании соревнуются в емкости электроэнергии, генерируемой произведенными ими солнечными элементами, а исследователи – в максимальной достигнутой эффективности преобразования солнечного излучения в электрический ток.

Корпорация Mitsubishi Electric (Токио, Япония) заявляет, что она достигла мирового рекорда в эффективности фотоэлектрического преобразования – 18,6% — в поликристаллической кремниевой солнечной ячейке в форме квадрата со стороной размером 150 мм. [3]. В новой конструкции добавлено текстурирование поверхности поликристаллической подложки для снижения отражения солнечного излучения и оптимизирована технология p-n перехода для усиления генерации электрического тока.

Текстурирование позволило создать структуру типа пчелиных сот на всей поверхности ячейки, используя технологию лазерного паттернирования. В массовое производство фотовольтаических солнечных модулей разработанная технология войдет в начале 2011 г.

Для расширения ежегодного поизводства фотовольтаических ячеек и модулей от 150 МВт до 220 МВт Mitsubishi инвестирует 70,7 млн. долл. [4] В перспективе Mitsubishi планирует достичь к 2013 году ежегодного выпуска ячеек емкостью 500 МВт. Компания владеет 18 патентами национального уровня и 7 патентами международного уровня, относящимися к фотовольтаической технологии.

В феврале с.г. исследовательский центр по наноэлектронике и нанотехнологии бельгийской компании IMEC заявил о достижении рекордной 24,7% эффективности преобразования на GaAs солнечных ячейках c одним p-n переходом, изготовленных на Ge подложках [5]. GaAs солнечные ячейки применяются в спутниковых солнечных панелях и в наземных солнечных концентраторах.

IMEC отмечает это событие как шаг вперед к созданию гибридных ячеек, сочетающих различные полупроводники, подобранные таким образом, чтобы наиболее эффективно поглощать солнечное излучение во всем диапазоне длин волн. Среди возможных комбинаций – материалы А3В5 и германий, в которых, по оценкам, можно достичь 35% эффективности.(Semiconductor, 21 марта)

http://www.businesspress.ru/…_445683.html