Ультракомпактные солнечные ячейки открыли новые горизонты техники
В случае если при словах «солнечная энергия» пред вашим взглядом предстают бескрайние поля фотоэлектрических панелей, вы видите лишь половину картины. не меньше занимательные вещи происходят на данный момент на противоположном краю шкалы. Простое масштабирование существующих совокупностей не годится, в то время, когда речь идет об изделиях с поперечником в считанные миллиметры, а другой раз и доли миллиметра.
Учёным, создающим микроскопические солнечные батареи, приходится «рисовать» такие совокупности с нуля, подбирая материалы и оригинальный дизайн. Незаметный на глаз «слоёный пирог» из полупроводников в малых масштабах трудится пара в противном случае — добиться хорошей эффективности тут непросто, а ведь ещё необходимо поразмыслить и о возможности недорогого серийного выпуска новинки.
Тем увлекательнее разработки, в которых исследователи пробуют по-новому посмотреть на строение фотоэлектрических преобразователей и, что ещё серьёзнее, — на вероятные стратегии их применения. Сейчас такие проекты растут как грибы по окончании дождя. И самый свежий из них — «Миллиметровый и практически вечный сенсорный чип» (Millimeter-Scale Nearly Perpetual Sensor System) от лаборатории автоматизации университета Мичигана (Design Automation Lab).
Размеры новинки составляют 2,5 х 3,5 х 1 миллиметр. И в этом пространстве создатели приборчика ухитрились поместить процессор, аккумулятор и солнечную батарею. Последняя — вариация тонкоплёночной технологии от компании Cymbet.
Данный маленький чип питает себя сам, для чего его достаточно время от времени выставлять на свет, пускай кроме того в помещении. Теоретически он может трудиться практически всегда, не требуя внимания человека (фото Daeyeon Kim).
Основная мысль экспериментального прибора: он солидную часть времени спит, просыпаясь на мгновение каждые пара мин., дабы произвести замеры и записать их в память чипа. Мелкий расход электричества тут — ключ к успеху.
В той же Design Automation Lab ранее был создан микрочип Phoenix с феноменально низким энергопотреблением, но от опытного образца до серии — расстояние огромная. В этом же проекте учёные пошли иным путём — собственный прибор они создали на базе ARM Cortex-M3 — маленького и экономичного серийного процессора, отыскавшего использование в самых разнообразных совокупностях — от автомобильной электроники, беспроводных совокупностей связи и до контроллеров промышленного оборудования.
Как растолковывают исследователи в пресс-релизе университета, секрет «вечности» данной схемы — в управлении едой.
Солнечная батарейка выдаёт напряжение 4 вольта, в то время как процессору необходимо всего 0,5. Вместо того дабы ставить преобразователь напряжения (сам по себе съедающий громадную мощность), учёные из Мичигана придумали, как руководить «сердцебиением» процессора. Особый метод как регулирует такты чипа, так и меняет периоды его сна и активности.
А итог — среднее энергопотребление образовывает менее одного нановатта.
Неудивительно, что для энергетической автономии данной схемы ей достаточно таковой маленькой солнечной батарейки да столь же маленького аккумулятора, запасающего электричество в периоды сна. Срок работы таковой схемы практически ограничен лишь деградацией аккумулятора, но и его должно хватить на многие годы, — утверждает один из авторов устройства Дэвид Блаау (David Blaauw).
На базе же данной разработки возможно создать независимые датчики внешней среды, миниатюрные сенсоры сооружений и состояния мостов а также медицинские имплантаты, систематично отправляющие медикам данные о состоянии организма. на данный момент сотрудники университета трудятся над коммерциализацией разработки.
Для выработки тока определённые участки этого чипа было нужно «сдобрить» железными наночастицами и молекулами пигмента. Подробности должны быть раскрыты в статье, которая выйдет в ACS Nano (фото Dawn Bonnell).
Тем временем другие учёные куда дальше зашли по пути миниатюризации солнечных преобразователей. Доун Боннелл (Dawn Bonnell) и её коллеги из университета Пенсильвании сказали пару дней назад о создании первой в мире микросхемы, питающейся светом.
Титул «первая» тут достаточно спорен, но в отличие от вторых похожих разработок тут нет отдельных солнечной ячейки и электронной схемы, соединённых позднее в одном устройстве: тут сама поверхность микросхемы обработана так, что есть и солнечной батареей.
Доун вовсе не собирается вытеснить со своей «самоподдерживаемой» схемой простую электронику, но в своеобразных областях такие чипы могут быть крайне полезными. Как и в прошлом случае, они смогут послужить базой микроскопических независимых датчиков. Но это не всё.
Научив таковой чип ещё и излучать свет, да на различных частотах, вы получите готовый кирпичик для построения оптического компьютера, талантливого трудиться с высокими скоростями либо, например, моделировать на уровне не софта, но железа нейронные схемы мозга. Лучи света, связывающие такие чипы между собой, заменяли бы при таких условиях нейромедиаторы, а сами чипы — единичные нейроны.
Для превращения данной схемы в готовый к потреблению продукт потребуются ещё годы работы, так что до тех пор пока достижение Боннелл воображает больше отвлечённый интерес. Но оно наглядно показывает, как необыкновенными смогут быть фотоэлектрические преобразователи и как иногда «простое» изменение их масштаба способно привести к появлению новых возможностей для техники.
О роли масштаба рассуждает и американская компания Semprius, создавшая уникальную разработку микропечати солнечных батарей. Мысль, которую продвигает Semprius, в общем виде не нова: компания уверен в том, что самые эффективные (а также по соотношению мощность/цена) фотоэлектрические преобразователи возможно взять, используя в них концентраторы света, сводящие громадный поток к миниатюрным солнечным зайчикам.
Солнечная батарейка от Semprius сама по себе насчитывает в поперечнике всего-то 0,6 миллиметра (тёмный квадратик). Она установлена на керамической подложке, снабжённой с двух сторон электрическими контактами (фото Semprius).
Такие устройства смогут сочетать низкий расход сырья для изготовления с довольно высоким КПД, достигаемымименно в концентрированном световом потоке. Но во целый рост поднимается неприятность организации теплоотвода: как линзы и изогнутые зеркала способны нагревать материалы — все замечательно знают. Появляются радиаторы и вентиляторы — цена совокупности растёт.
Находка Semprius содержится в том, что при уменьшении размера отдельных солнечных ячеек неприятность перегрева сперва увеличивается, но позже внезапно существовать.
По объяснению экспертов компании, у фотоэлектрических панелей меньше миллиметра в поперечнике большая доля тепла начинает уходить через боковые грани, в сравнении с плоскими солнечными батареями классического размера, так что субмиллиметровые панели нагреваются при освещённости в тысячу «солнц» приблизительно так же, как простые солнечные батареи при освещении неконцентрированным солнечным светом.
Это обосновывают солнечные батареи, созданные в Semprius. В них имеется три полупроводниковых слоя на базе арсенида галлия, любой из которых впитывает собственную полосу спектра (что повышает КПД).
Изготовлены эти панели комбинацией печати и химического травления, при которой мало сырья уходит в отбросы. Технологический процесс, созданный доктором наук Джоном Роджерсом (John Rogers) из университета Иллинойса, таков, что из стандартной четырёхдюймовой пластины полупроводника возможно взять 36 тысяч субмиллиметровых ячеек. Секрет не только в замене расточительного распиливания травлением, но и в том, что при создании каждой порции фотопреобразователей снимается тонкий слой с пластины, которая после этого отправляется на новый круг.
Согласно данным свободных тестов, КПД этих ячеек колеблется от 25% до 35%. Компания посчитала, что они смогут поставлять электричество по цене порядка 10 центов за киловатт-час. А цена самой установки составит $2-3 за ватт выходной мощности.
Массовый выпуск солнечных модулей с концентраторами-линзами и субмиллиметровыми солнечными батареями в Semprius собирается начать в 2013 году.
А до тех пор пока она ратифицировала договор с Siemens Industry о совместной разработке и создании громадной демонстрационной совокупности, призванной продемонстрировать все преимущества разработки.
Умелый солнечный модуль от Semprius: десятки недорогих линз собирают свет в ряд броских «точек», в которых установлены микроскопические солнечные батареи (фото Semprius).
Микроскопические солнечные батареи, да и простые также, смогут взять куда большее распространение, в случае если учёным удастся изготавливать их из более недорогих материалов. И в этом замысле как по заказу явилась работа группы учёных под управлением Дэвида Мици (David Mitzi) из IBM Research.
Она выстроила миниатюрную солнечную батарею с КПД 9,6%. Не впечатляет это значение, лишь пока не определишь, из чего «испечена» ячейка: из меди, цинка, серы и олова — весьма распространённых и недорогих веществ, плюс не смотря на то, что и более редкого, но также не через чур дорогого элемента селена (оказался материал CZTS).
Учёные предполагают, что этот тип батарей сможет удачно соперничать с тонкоплёночными солнечными ячейками, в которых сейчас довольно часто используют теллур, — его запасы на Земле очень скромны. Кроме этого CZTS может потеснить деятельно развивающийся сейчас вариант солнечных батарей на базе селенида меди-индия-галлия (CIGS), потому, что индий и галлий вдесятеро дороже селена.
CZTS-ячейка, установившая рекорд для фотоэлектрических батарей данного типа (фото IBM Research).
Отметим, достижение коллег и Дэвида состоит не в выборе материала (с CZTS учёные ставили испытания и раньше), а в разработке разработки, разрешившей на данной базе выстроить столь действенные ячейки. В большинстве случаев для финального полупроводникового композита учёные используют растворение определённых составов в нужных растворителях, но соединения цинка были нерастворимы.
Дабы обойти эту проблему, исследователи применяли комбинацию из растворённых взвеси и смесей маленьких жёстких частиц, создав собственного рода чернила, каковые возможно было распылять на подложке. Нагрев последней приводил к формированию финального материала.
на данный момент авторы данной разработки трудятся над улучшением собственных батарей. Они поставили целью поднять КПД до 12%, что обеспечивало бы удовлетворительный 10-процентный КПД для подобных ячеек, выработанных не в лаборатории, а на заводе.
Помимо этого, Мици и его соратники стремятся снизить содержание селена в этих ячейках, в совершенстве дабы они полностью складывались из дешёвых и недорогих элементов. В текущей версии CZTS селена, к слову, в два раза меньше, чем было в прошлых примерах.
Данный путь, как и уникальные идеи, воплощённые в других родственных проектах, ведёт нас к эре, в то время, когда недорогие и вправду миниатюрные солнечные батареи начнут в массовом порядке встраивать в самую разнообразную технику — датчики и сенсоры, медицинские имплантаты и карманную электронику…
А на втором краю шкалы уже показываются те самые огромные поля солнечных батарей, лишь уже новых — более недорогих. Тут также масштаб играется громадную роль — экономия в центы, полученная на «миллиметровых» примерах, в промышленном варианте свидетельствует экономию в миллионы, а следовательно, настоящий взлёт солнечной энергетики.
