Технология модуляризации прозрачных солнечных батарей потенциально позволяет смартфонам и электрокарам стать самозаряжающимися

Ученые работают над созданием прозрачных солнечных батарей уже многие годы, и за это время они добились ряда крупных успехов, приближающих эту технологию к коммерческим областям применения. На этот раз значительный прорыв осуществила группа ученых из Южной Кореи, занимающаяся исследованиями возможностей модуляризации таких батарей. Их работа направлена на решение ключевой проблемы перехода от отдельных элементов к большим прозрачным батарейным модулям, которые могут быть интегрированы в различные технические системы и устройства.

Группа исследователей из Ульсанского национального института науки и технологии (UNIST) в Южной Корее разработала технологию прозрачных солнечных элементов, позволяющую заряжать батарею прямо от стеклянной поверхности. Эта инновация может иметь самые различные области применения, где актуально получение энергии от прозрачных конструктивных компонентов, таких как экраны смартфонов, окна автомобилей и панели фасадов зданий.

В ходе демонстрации практических возможностей новой технологии ученые успешно зарядили смартфон за счет естественного солнечного света, показав, что экран мобильного устройства может служить источником энергии.

Эта технология имеет большой коммерческий потенциал. Рынок строительной фотовольтаики, включающий в себя в том числе и прозрачные солнечные элементы, к 2031 году оценивается в 86.7 млрд долларов.

Хотя ученые работают над прозрачными солнечными элементами уже давно, подходящие для этого материалы появились сравнительно недавно. Например, в прошлом году исследователи из Высшей инженерной школы университета Тохоку создали прозрачный солнечный элемент на основе двумерной пленки толщиной в один атом со средней прозрачностью для видимого света 79%. Также группа из Массачусетского технологического института разрабатывает технологию прозрачных солнечных элементов на базе органических материалов, поглощающих инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, но пропускающих видимую часть спектра.

В отличие от этих исследователей, их коллеги из UNIST опираются на кристаллический кремний (c-Si), наиболее широко используемый и эффективный материал для фотовольтаики. Кроме того, их модуляризационный подход направлен на радикальное решение проблемы масштабирования прозрачных солнечных батарей до размеров, актуальных для практического применения.

Исследователи из UNIST "открыли новый путь для модуляризации, то есть, по сути, для коммерциализации прозрачных кремниевых солнечных элементов," – сказал профессор Кван-йонг Со (Kwanyong Seo), который вместе со своими коллегами из Высшей технической школы энергетики и химии UNIST разработал эти прозрачные солнечные элементы. "Мы планируем продолжить исследования, чтобы технологии прозрачных солнечных элементов могли занять ключевую позицию в экологичной энергетике будущего."

Отличительной особенностью солнечных элементов UNIST является полностью скрытый дизайн контактов (all-back-contact, ABC), в котором все электрические компоненты находятся на обратной стороне элемента, что позволяет сохранить внешний вид стекла снаружи.

Еще одно ключевое инновационное отличие – технология бесшовной модуляризации, позволяющая соединять солнечные элементы без видимых зазоров и без использования металлической проводки. Это решает проблему выраженных швов, нарушающих визуальную целостность солнечных панелей, в которых используются традиционные методы модуляризации.

Представленный группой ученых батарейный модуль из прозрачных солнечных элементов имеет площадь 16 см² и максимальный коэффициент фотоэлектрического преобразования (КПД) 15.8% при среднем коэффициенте пропускания видимого света 20%. Традиционные кремниевые солнечные панели обычно имеют КПД в районе 15-20%. Технология соединения элементов позволила ученым довести значения выходного напряжения и мощности от 0.64 В и 15.8 мВт для отдельного элемента площадью 1 см² до 10.0 В и 235 мВт для батарейного модуля площадью 16 см².

Данная научная работа, опубликованная в Ученых записках Национальной академии наук Южной Кореи, была одобрена Корейским институтом энергетического планирования и оценки технологий.