В Китае разрабатывают высокоэффективные и гибкие кремниевые солнечные батареи
Китайские ученые, которые превратили твердые кремниевые солнечные элементы в эластичную форму, тонкую и мягкую, как бумага, говорят, что их революционная технология нашла широкое применение в аэрокосмической отрасли, носимой электронике и портативных источниках питания.
За последние несколько лет достижения в области материалов и производства привели к впечатляющему повышению эффективности кремниевых солнечных элементов. Теперь они могут похвастаться коэффициентом преобразования света в электричество на уровне 26,8%, что приближается к теоретическому пределу в 29,4%.
Кремниевые солнечные элементы составляют около 95% солнечных элементов, используемых на рынке фотоэлектрических систем. Они широко использовались в наземных солнечных фермах и распределенных фотогальваниках, поскольку стоимость производства и производства электроэнергии снизилась.
Но разработка коммерчески жизнеспособных и высокоэффективных солнечных элементов, легких, гибких и недорогих, которые можно использовать в больших масштабах, является сложной задачей. Используемые в настоящее время тонкопленочные солнечные элементы изготавливаются из аморфного кремния, теллурида кадмия, органики и перовскитов. По словам Лю Вэньчжу, профессора Центра новых энергетических технологий Шанхайского института микросистем и информационных технологий (SIMIT) Китайской академии наук, они «демонстрируют гибкость».
Но их использование ограничено из-за их низкой эффективности преобразования энергии… выброса токсичных материалов в окружающую среду, низкой производительности в случае больших площадей и нестабильных условий эксплуатации,сказал Лю.
Его команда разработала инновационную структуру для кремниевых солнечных элементов, чтобы сделать их гибкими, и они говорят, что исследование предполагает, что массовое производство также жизнеспособно. Разработка может открыть новые возможности в таких секторах, как носимая электроника, мобильная связь, мобильная энергия для транспортных средств, интегрированная фотогальваника в архитектуре и в аэрокосмической отрасли.
Команда начала с наблюдения за кремниевыми солнечными элементами, находящимися под напряжением изгиба, с помощью высокоскоростных камер. Они обнаружили, что растрескивание всегда начиналось с острой V-образной канавки на краю кремниевой пластины — области, которую они определили как ее «слабое место».
Понимание поведения солнечных элементов при разрушении привело к тому, что мы изменили структуру краевой области кремниевой пластины. Мы заменили острые V-образные канавки на более гладкие U-образные канавки, которые эффективно распределяют деформацию при изгибе и подавляют трещинообразование. Конечным результатом стал высокоэффективный, легкий и гибкий кремниевый солнечный элемент,сказал Ди Цзэнфенг, автор исследования.
Эта стратегия использовалась только на краю пластины, поэтому она не влияет на эффективность преобразования энергии солнечного элемента. Однако это значительно увеличивает гибкость солнечной батареи, что открывает широкие перспективы для применения.
Кремниевый солнечный элемент обладает беспрецедентной гибкостью. Имея размеры 60 микрометров, его можно сложить, как лист бумаги. Он также может выдерживать многократные изгибы с радиусом изгиба менее 5 миллиметров и углами изгиба более 360 градусов.
Исследователи также провели испытания на прочность в различных условиях. Ячейки сохранили 100-эффективность преобразования энергии после 1000 циклов поперечного изгиба. Они также сохранили 99,62% своей мощности после термоциклирования от минус 70 градусов по Цельсию до 85 градусов по Цельсию в течение 120 часов.
В тесте на устойчивость к ветру исследователи прикрепили модуль ячейки к надутому газовому мешку и использовали мощный вентилятор, чтобы смоделировать эффект ветра, дующего со скоростью 30 метров в секунду во время сильного шторма. После непрерывного столкновения с воздухом в течение 20 минут относительная потеря мощности составила всего 3,07%, что предполагает его потенциальное использование в аэрокосмической отрасли, например, в воздушных шарах-шпионах.
Согласно отчету, гибкие фотоэлектрические модули большой площади исследовательской группы уже успешно использовались в околокосмических аппаратах, интегрированных фотогальваниках зданий и фотогальваниках, установленных на транспортных средствах. Но команда по-прежнему осторожно относится к технологии производства.
Перед крупномасштабным производством необходимо провести дополнительные испытания на месте, чтобы гарантировать постоянную стабильность в реальных условиях эксплуатации, когда стрессовые факторы могут возникать одновременно,сказал Лю Вэньчжу.
