Новые разработки солнечных батарей

Концепция бесплатного, возобновляемого и неистощимого источника электрической энергии, которым может стать солнце – это идеальный сценарий, к воплощению которого стремятся правительства многих стран и активисты экологических организаций. Возможно, она видится им как ряды фотогальванических элементов, расположенных на крышах зданий или сбор урожая с акров солнечных энергоцентров. По данным организации «Energy Savings Trust», самый быстрый рост потребления энергии происходит не в области неэкономичного автотранспорта или развивающегося пневмотранспорта, а в области потребительских электронных приборов, например мобильных телефонов и MP3-плееров. Наша страсть к этим вещицам безгранична. Солнечная энергия используется в потребительской электронике почти 30 лет. Первыми переносными механизмами, использующими энергию солнца, были портативные калькуляторы. В конце 1970х годов эти устройства впервые начали производить из компонентов с низким энергопотреблением, например жидкокристаллические экраны (LCD). С тех пор потребности в энергии у портативных потребительских электроустройств росли, а их функциональность повышалась. Потребность в энергии у типичного карманного калькулятора может не превышать нескольких миллиамперов, а современный «интеллектуальный» телефон с процессором 400 мегагерц, несколькими гигабайтами энергонезависимой памяти, цветным экраном, стереозвуком и поддержкой беспроводной связи с высокой скоростью передачи данных обычно может использовать несколько ватт энергии в те периоды, когда он не находится в режиме ожидания. К сожалению, развитие технологий по управлению питанием не поспевает за потребностями в питании мультимедийных устройств. Помимо решения экологических проблем производители потребительской электроники хотят, чтобы их устройства дольше работали между сеансами зарядки. Хотя солнечные энергетические элементы далеко не являются панацеей, но их использование может увеличить срок работы без проводов – тем не менее, возможно, придется решить не одну значительную проблему. Проблемой номер один является эффективность фотогальванических элементов. Гелиоэнергетика должна быть более эффективной во время преобразования солнечной энергии в электричество. Только представьте себе, в идеальных условиях солнце может производить 10,000 ватт энергии на квадратный метр. Несмотря на всю неэффективность одного солнечного элемента, он может конвертировать достаточное количество свободной энергии для полной зарядки этих устройств всего лишь за несколько часов. Идеальные условия могут возникнуть только в середине дня или рядом с экватором. Даже если жить в субтропиках, все равно будет невелика вероятность регулярных прогулок под дневным солнцем с мобильным телефоном, попадающим под его лучи. Поэтому эти устройства должны работать в различных окружениях – как в помещении, так и снаружи – где присутствие солнца будет значительно слабее или вообще будет отсутствовать. Например, в условиях окружающего освещения в помещении – где единственный источник света является искусственным, количество доступной энергии будет в 10,000 раз меньше, чем в присутствии солнца. Хотя этой энергии все равно достаточно для получения 10 В на квадратный метр, сегодняшние фотогальванические элементы слишком неэффективны для сбора достаточного количества энергии для питания чего-то большего, чем карманный калькулятор. Дешевые и бесчисленные Проще говоря, для того, чтобы внедрять солнечные элементы в портативные устройства, они должны быть дешевыми, их должно быть много и они должны эффективно преобразовывать энергию солнца в полезную энергию. Такие материалы как арсенид галлия могут повысить эффективность солнечных элементов, если их внедрить в изделия, но они настолько редки, что их использование становится неоправданно дорогим. В настоящий момент отрасль производства фотогальванических элементов главным образом опирается на солнечные элементы из кристаллического кремния. Тем не менее, по-прежнему остается такой вопрос, как высокая стоимость производства элементов этого типа. Можно использовать другие материалы, но их эффективность гораздо ниже. Одной из организаций, предпринимающих попытки увеличить эффективность современных солнечных элементов, является Межуниверситетский Центр Микроэлектроники (IMEC). Он представляет собой исследовательский комплекс на окраине города Левен в Бельгии. Его филиалы разбросаны по всей Фландрии. «Кремний – прекрасный материал, так как он устойчив и не токсичен», объясняет Гай Бьюкарн, руководитель группы IMEC по работе с технологиями солнечных элементов, который указывает на свою стратегию по производству фотоэлектричества из дешевого кремния. Представители IMEC верят, что стоимость солнечных элементов и модулей можно снизить, уменьшая количество кремния и производя солнечные элементы на основе кремниевых пластин толщиной 100-150 микрон (одна миллионная метра) вместо традиционных пластин толщиной 220 микрон. Группа Бьюкарна также рассматривает возможность производства тонкопленочных солнечных элементов на дешевой подложке, например на стекле или керамике. По словам Бьюкарна, главной проблемой является улучшение пассивации поверхности (процесс, защищающий ее от окисления или загрязнения). К настоящему моменту группа получила эффективность более 17,6 процента на поликристаллических подложках большой площади. Исследования в области тонкопленочных солнечных элементов включают в себя укладку тонкого кремниевого слоя толщиной всего лишь два микрона на дешевое стекло или керамику. Таким образом достигается эффективность 8 и 6,4 процента соответственно. Несмотря на то, что эти результаты не дотягивают до тех, которые были получены с использованием поликристаллических подложек, Бьюкарн считает этот уровень эффективности самым лучшим для дешевых материалов. Он уверен, что в ближайшем будущем уже можно будет достичь уровней эффективности, сравнимых с традиционными кремниевыми элементами. Пластмассы Помимо этого можно использовать пластмассы. Компания Konarka, уходящая корнями в университет штата Массачусетс, исследует полупроводниковые полимеры. Работа основана на революционном исследовании Алана Хигера, получившего в 2000 году Нобелевскую премию в области химии за открытие и разработку проводящих полимеров. Он является соучредителем компании и ее ведущим ученым. Эффективность полимера на основе кремния от компании Konarka усиливается при помощи квантовых точек – сконструированного на наноуровне материала, который усиливает способность солнечных элементов получать энергию из более широкого оптического спектра. Теоретически квантовые точки могут увеличить их эффективность в условиях окружающего света. Другим серьезным преимуществом технологии от Konarka является то, что солнечные элементы на основе полимера можно производить в виде постоянного процесса «roll-to-roll» (рулон за рулоном), который, по заявлениям компании, характеризуется меньшей стоимостью и капиталоемкостью, чем многоэтапная сборка традиционных солнечных элементов. К тому же, солнечные элементы можно окрасить, придать им форму и обрезать их для соответствия месту установки. Аналогично большинству пластмасс и в отличие от хрупкого кремния, солнечным элементам компании Konarka на основе полимера можно придать форму устройства. Контролируя энергию Степень эффективности этих элементов не имеет значения; другой проблемой является то, что уровень доступного солнечного излучения будет значительно изменяться, и при этом напряжение будет варьироваться от доли вольта до нескольких вольт. Поэтому электрическое напряжение устройства придется стимулировать до соответствующего уровня с помощью повышающего конвертера (преобразователь мощности, в котором выходное напряжение постоянного тока превышает входное напряжение постоянного тока). Подобное стало возможным лишь недавно. В прошлом апреле производитель полупроводников Texas Instruments вывел на рынок, повышающий DC/DC преобразователь с низким входным напряжением, который позволяет потреблять энергию у источников переменной энергии, таких как солнце. Небольшая силовая цепь работает с входным напряжением менее 0,3 В – что позволяет проектировщикам преодолеть барьер низкого напряжения. Способность устройства работать от одного солнечного элемента устранит потребность в сериях из множества элементов, а также устранит необходимую защитную схему, входящую в систему последовательного соединения. «Можно использовать большое количество элементов для повышения напряжения, но если сделать это, то портативное устройство придется увеличить в размерах и повысить его сложность», добавляет Александр Фрибе, инженер по маркетингу продукции в компании Texas Instruments. В противоположность этому сегодняшние повышающие преобразователи могут лишь поддерживать входное напряжение, начиная с 0,7 В при запуске на уровне 0,9 В – хороший показатель для первичных элементов аккумуляторных батарей или линий энергоснабжения. Но это недостаточно низко для поддержки одного солнечного элемента. Сюда также относится уникальный режим понижающего преобразования, который помогает защищать устройства, если уровень конвертированной энергии от солнечного элемента превысит выходное напряжение. Влияние солнечной энергии Никто не говорит, что солнечная энергия может полностью заменить сетевое электричество для портативных устройств, но воздействие гелиотехнологий - если их внедрить в повседневные вещи, например в мобильные телефоны и МР3-плееры – может стать значительным, так как для этих устройств требуется все больше энергии. К тому же, ожидается, что область солнечной энергии в ближайшем будущем не сможет развиться настолько, чтобы ее можно было использовать в более крупных портативных устройствах, таких как ноутбуки. Даже в режиме ожидания они могут потреблять до нескольких ватт. «Разработчики портативного оборудования, включая тех, которые работают в областях портативного медицинского, беспроводного и аудио оборудования, по-прежнему ищут способы применения технологий солнечных и топливных элементов для того, чтобы продлить сроки службы батарей и дифференцировать свои продукты», объясняет Уве Менгелькамп, возглавляющий DC/DC подразделение в компании Texas Instrument. Поэтому производители сосредоточены на том, чтобы продлить автономную работу своих устройств еще на несколько часов. И хотя компании Nokia, Sony и Apple пока не внедряют в свои изделия солнечные элементы, инженеры уверены, что это произойдет очень скоро. Представители IMEC заявляют, что их исследования позволят разработать конкретные продукты через три года, но Konarka надеется начать поставки своих солнечных элементов ‘PowerPlastic’ в следующем году. Texas Instruments, один из первых разработчиков калькуляторов на солнечных батареях, уже производит свои повышающие преобразователи и заявляет, что мир увидит первые мобильные телефоны на солнечной энергии менее чем через год. То, что продавцы потребительской электроники сосредоточены на увеличении срока работы батарей, повышает достоверность заявлениям производителей компонентов. Но мы уже проходили нечто подобное три года назад, во время кампании по интеграции в портативные устройства топливных элементов. Вероятность того, что интеграция солнечной энергии произойдет, все-таки выше, так эта технология преодолела один значительный барьер, чего пока не сумели сделать топливные элементы – уменьшение опорной поверхности.