Японские ученые создали почти белый гетеропереходный солнечный элемент для систем BIPV

Аккумулятор TROJAN 31XHS

В лабораторных солнечных элементах с почти белым гетеропереходом используются рассеивающие слои на основе наноглины в сочетании с диэлектрическими многослойными пленками, что позволяет сохранить эффективность преобразования энергии и при этом улучшить внешний вид. По данным исследователей, оптические потери при объемной доле глины 50 % составляют менее 1 %, что значительно ниже показателей для текстурированного стекла.

Внешний вид модулей солнечных батарей, изготовленных исследовательской группой

Исследователи из Технологического университета Нагаоки в Японии создали солнечный элемент с гетеропереходом (HJT) почти белого цвета для применения в интегрированных в здания фотоэлектрических системах (BIPV).

“Это все еще лабораторное подтверждение концепции, но ключевые процессы, которые мы использовали, такие как нанесение покрытий на большие площади и напыление тонких пленок, имеют четкие промышленные аналоги”, - сказал ведущий автор исследования Ноборо Ямада. “Мы пока не работаем напрямую с производителями фотоэлектрических систем, и мы были бы рады, если бы партнеры оценили масштабируемость, модульную интеграцию и долгосрочную надежность”.

Ученые объяснили, что, хотя строительные материалы белого цвета широко используются в архитектуре, в материалах, интегрированных с солнечными батареями, они придают изделиям визуально белый цвет за счет снижения эффективности. Например, в белых солнечных батареях повышенное отражение и рассеивание света может привести к потерям энергии до 41,5 %.

Чтобы устранить это ограничение, они предложили использовать текстурирование поверхности покровного стекла для увеличения рассеянного света. В частности, они использовали наноразмерные глинистые минералы, или наноглины, в качестве рассеивающего слоя, чтобы увеличить мутность стекла, сохранив при этом высокий коэффициент пропускания. Кроме того, для контроля отражения использовались диэлектрические многослойные пленки (ДМП).

Наноглины были получены на основе органически модифицированного смектита — группы глинистых минералов, известных своей слоистой пластинчатой структурой и исключительной способностью поглощать воду и набухать.

Внешний вид ячеек HJT, покрытых глинистыми пленками и текстурированным стеклом

Сравнив оптические свойства глиняных пленок с текстурированным и гладким стеклом, ученые обнаружили, что глиняные пленки сохраняют высокий коэффициент пропускания в видимом спектре, но при этом обеспечивают значительное рассеивание света. В отличие от текстурированного стекла, которое рассеивает свет в основном на поверхности, снижая коэффициент пропускания, глиняные пленки рассеивают свет в объеме наноразмерных слоев глины, что позволяет им увеличивать светопропускание без значительных оптических потерь.

При содержании глины 50 % по объёму глиняные плёнки приобретали почти белый цвет с оптическими потерями менее 1 %, в то время как текстурированное стекло теряло более 6 % при сопоставимой белизне. Кроме того, гибридные плёнки, в которых глина сочетается с селективными по длине волны димеркаптофульванами, повышают белизну, контролируя при этом оптические потери.

Данные об эффективности преобразования энергии в устройстве и других электрических параметрах не разглашаются.

«Эти результаты показывают, что наноглинистые пленки могут стать перспективными отбеливающими материалами, способными обеспечить баланс между светопропусканием и энергоэффективностью, в отличие от текстурированного стекла, которое рассеивает свет на поверхности, — подчеркнули исследователи. — Затем мы разработали многослойные фотонные кристаллы с помощью многоцелевой байесовской оптимизации и соединили их с глиной, чтобы изучить гибридные пленки с более низкими оптическими потерями и более белым цветом. Оптимизация была направлена на снижение оптических потерь, уменьшение хроматизма и повышение светопропускания».

«В этой статье мы не проводили полный анализ затрат, — добавил Ямада. — Однако мы сделали приблизительную внутреннюю оценку, и дополнительные материалы для почти белого покрытия состоят из широко доступных и недорогих компонентов, поэтому мы не ожидаем значительного увеличения стоимости солнечных батарей».

Новая конструкция солнечных элементов была представлена в статье «Солнечные элементы с почти белым свечением, полученные с помощью рассеивающих слоев на основе наноглины», опубликованной в журнале «Материалы для солнечной энергетики и солнечные элементы». В будущем команда планирует усовершенствовать методы получения почти белого или полностью белого свечения, протестировать долговечность материалов в условиях эксплуатации на открытом воздухе, разработать масштабируемые методы производства, подходящие для крупномасштабного производства, и оценить общую экономическую эффективность технологии.