Ученые предложили новую конструкцию солнечного концентратора, позволяющего собирать свет с большой площади на небольшую солнечную панель из эффективного, но дорогого материала. В нем используется два пигмента, один из которых поглощает свет и переизлучает на второй, который уже переизлучает свет на солнечную панель, сообщается в журнале Nature Communications.

Кремниевые солнечные батареи достаточно дешевы, но они имеют ограниченный коэффициент полезного действия. Из-за этого ученые разрабатывают альтернативные материалы для солнечных панелей с гораздо большим теоретическим коэффициентом полезного действия, но они они также гораздо дороже в производстве. Для того, чтобы снизить стоимость таких панелей до экономически целесообразного уровня, инженеры предлагают использовать небольшие панели и концентрировать на них свет с гораздо большей площади. Помимо оптических концентраторов некоторые исследователи предлагают использовать люминесцентные концентраторы, которые поглощают свет и переизлучают его на солнечную панель.

Исследователи под руководством Питера Валла (Peter Walla) из Брауншвейгского технического университета предложили новую конструкцию для люминесцентных концентраторов. Солнечная панель располагается в торце устройства, большую часть которого занимает полимер с пигментами. Ученые решили использовать схему с двумя флуоресцентными пигментами — донором и акцептором. Молекулы акцепторы сильно вытянуты и в основном излучают свет перпендикулярно, в отличие от молекул донора, излучающего более равномерно. В этой схеме пигменты-доноры располагаются в полимере хаотично, а акцепторы ориентированы вдоль плоскости солнечной панели. За счет этого доноры поглощают солнечный свет, переизлучают и этот свет попадает на молекулы акцептора, который, в свою очередь, тоже излучает в сторону солнечной панели или обратную, на которой расположена отражающая поверхность.

Схема работы концентратора. Alexander Pieper et al. / Nature Communications, 2018

Существуют похожие разработки, в которых пигменты предлагается ориентировать с помощью электрического поля, но это сложно и не всегда позволяет добиться результата. Ученые выбрали более простой метод ориентации пигментов — с помощью растяжения полимера в котором они находятся. Для этого исследователи проанализировали множество веществ и выбрали два пигмента, один из которых сильно ориентируется при растяжении полимера, а второй практически не меняет свое положение даже при растяжении на 400 процентов. Интересно, что несмотря на такие сильные различия в свойствах оба пигмента относятся к одной группе кумаринов. Излучение акцепторного пигмента, излучающего в сторону солнечной панели, имеет длину волны около 520 нанометров, что совпадает с максимумом поглощения соединения InGaP, на базе которых сегодня разрабатываются очень эффективные солнечные панели.

Предложенная многослойная схема. Alexander Pieper et al. / Nature Communications, 2018

Исследователи протестировали разные концентрации пигментов и выбрали соотношение молекул донора к молекулам акцептора десять к одному. Ученые показали, что такое устройство может иметь квантовую эффективность перенаправления света определенной длины волны на уровне 80 процентов. Они также предложили создавать многослойные солнечные панели с такими концентраторами, в которых каждый слой будет содержать разные пигменты, поглощающие свет определенного диапазона.

В прошлом году ученые предложили повышать диапазон углов падающего света для солнечных панелей с помощью материала с напоминающей крылья бабочки структурой. Такая структура позволила повысить эффективности поглощения света примерно в два раза.

Автор: Григорий Копиев