Прозорий сонячний елемент показує ефективність понад 10 відсотків

Американські та китайські хіміки створили сонячний елемент з ефективністю більше десяти відсотків і світлопроникністю більше 45 відсотків. Результати дослідження опубліковані в журналі

Створення прозорих сонячних панелей - одна з найцікавіших областей сучасної фотовольтаїки. Такі сонячні панелі можна буде вбудовувати у вікна будинків і отримувати додаткову електроенергію без шкоди для зовнішнього вигляду будівлі та освітленості всередині. Однак створити пристрої, що поєднують високу ефективність і достатню світлопроникність, непросто. Можна сказати, що ці параметри конкурують один з одним - чим більше фотонів пройде наскрізь через сонячний елемент, тим менше фотонів поглинеться в активному шарі і тим менше енергії виробить панель. Втім, якогось балансу досягти можна: для цього треба шукати матеріали з високим коефіцієнтом поглинання поза видимою областю спектру, а також максимально ефективно використовувати енергію поглинених фотонів.

Американські і китайські хіміки під керівництвом Стівена Форреста (Stephen R. Forrest) з Мічиганського університету зуміли отримати прозорі сонячні панелі з високою ефективністю. Активний шар цих сонячних батарей являє собою тонку плівку суміші двох сполук - донора і акцептора. Як донор використовували полімер PCE-10, який практично прозорий у видимій області спектру. Для того щоб вибрати ідеальний акцептор, вчені синтезували і протестували три схожих поліконденсованих гетероароматичних сполуки: акцептор SBT-FIC, який вже використовувався в прозорих елементах, і два схожих на нього з'єднання А078 і А134, для яких максимум поглинання ще далі зрушать у ближню інфрачервону область. Додатковим аргументом на користь нових акцепторів виявилася простота їх отримання - це важливо для вартості майбутніх сонячних модулів. Синтез SBT-FIC включає в себе десять послідовних стадій, а синтез А078 і А134 - всього по шість стадій.

Для отримання прозорого сонячного елемента прозорого активного шару недостатньо. Потрібно зробити світлопроникними обидва електроди і всі проміжні допоміжні шари. Автори виготовили катод з прозорого провідного оксиду індія, допованого оловом (Indium Tin Oxide, ITO). Для аноду протестували два варіанти - такий же прозорий електрод з ITO і тонкий срібний шар завтовшки 16 нанометрів. Крім того зовнішня (звернена до сонячного світла) поверхня сонячного елемента була покрита антивідбиваючим матеріалом на основі фториду магнію з оксидом кремнію, а внутрішня (звернена в приміщення) - спеціальним світловивідним покриттям. Найкращу ефективність - 10,8 відсотків, світлопроникність 45,7 відсотка - продемонстрували елементи на основі A078 зі срібним анодом, проте автори зазначили, що металевий шар надає сонячному елементу легкий зеленуватий відтінок. Елементи з анодом з ITO продемонстрували найгіршу ефективність (8,1 відсотка), але зате були повністю безбарвними. Для елементів на основі А134 ефективність була значно гіршою, автори пояснюють це найгіршою розчинністю цієї сполуки і нижчою якістю отриманих плівок.

Порівнюючи прозорі сонячні елементи, вчені обчислюють витвір двох конкуруючих параметрів - ефективності та світлопроникності. Для сонячного елемента на основі A078 цей параметр дорівнює 5,0 відсоткам. Це дуже помітний крок вперед, раніше рекордним значенням цього параметра було 3,9 відсотка.

Надалі Форрест і його колеги планують зайнятися підвищенням стабільності пристроїв - поки що в цьому параметрі прозорі сонячні елементи помітно поступаються традиційним кремнієвим.

Виготовлення прозорих сонячних панелей - не єдиний спосіб гармонійно вписати сонячний елемент у дизайн будівлі. Наприклад, компанія Tesla кілька років тому почала випускати сонячні панелі, які зовні імітують черепицю. Панелі складаються з трьох шарів: нижній являє собою високоефективний сонячний елемент, середній шар - маскуюче скло, а зовнішній шар - загартоване захисне скло. Якщо дивитися на цю панель з землі, маскуючі шари матимуть вигляд дерева або камінь, однак для сонячного променя, що падає зверху, верхні скляні шари прозорі.