Новости Китая. Ученые разработали уникальные солнечные батареи. Как они работают?

Перед тем , как рассмотреть китайские новости, давайте вспомним, что в школе на уроках физики рассказывают про солнечные батареи. 

Солнечные батареи – это уже вторая попытка человечества покорить безграничную энергию Солнца и заставить ее работать на благо людей. Первыми появились солнечные коллекторы (солнечные термальные электростанции), в которых электричество вырабатывает нагретая до температуры кипения под сконцентрированными солнечными лучами вода. (см https://itc.ua/articles/solnechnyie-batarei-kak-eto-rabotaet/).

Солнечные же батареи производят непосредственно электричество, что намного эффективнее. При прямой трансформации теряется значительно меньше энергии, чем при многоступенчатой, как у коллекторов (концентрация солнечных лучей, нагрев воды и выделение пара, вращение паровой турбины и только в конце выработка электричества генератором).

Современные солнечные батареи состоят из цепи фотоэлементов – полупроводниковых устройств, преобразующих солнечную энергию напрямую в электрический ток. Процесс преобразования энергии солнца в электрической ток называется фотоэлектрическим эффектом.

Данное явление открыл французский физик Александр Эдмон Беккерель в середине XIX века. Первый же действующий фотоэлемент спустя полвека создал знаменитый русский ученый Александр Столетов.

Фотоэлемент — это электронное устройство, которое преобразует световые сигналы в электрические. Этот прибор был изобретен российским физиком Александром Григорьевичем Столетовым в конце 19 в.

Массовое производство солнечных батарей стало возможным гораздо позже после разработки фотоэлементов на основе кремния Si. Он до сих пор остается самым распространенным материалом в производстве солнечных батарей. Правда, очистка кремния – процесс крайне затратный, а потому мало-помалу пробуются альтернативы: соединения меди, индия, галлия , кадмия и др.

Кремний -это полупроводник. Полупроводник – это такой материал, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо наоборот, их не хватает (p-тип). Соответственно, полупроводниковый фотоэлемент состоит из двух слоев с разной проводимостью. В качестве катода используется n-слой, а в качестве анода – p-слой.

Лишние электроны из n-слоя могут покидать свои атомы, тогда как p-слой эти электроны захватывает. Именно лучи света «выбивают» электроны из атомов n-слоя, после чего они летят в p-слой занимать пустующие места. Таким способом электроны бегут по кругу, выходя из p-слоя, проходя через нагрузку (в данном случае аккумулятор) и возвращаясь в n-слой.

Разрез фотоэлемента на основе кремния

(из работы https://itc.ua/articles/solnechnyie-batarei-kak-eto-rabotaet/)

Мощности отдельных фотоэлементов недостаточно, чтобы питать большие электроприборы. Поэтому их объединяют в электрическую цепь, тем самым формируя солнечную батарею (другое название – солнечная панель).

На каркас солнечной батареи фотоэлементы крепятся таким образом, чтобы их в случае выхода из строя можно было заменять по одному. Для защиты от воздействия внешних факторов всю конструкцию покрывают прочным пластиком или закаленным стеклом.

Разные материалы имеют разныю эффкетивность при выработке электричетва в этих батареях.

Самым низким коэффициентом фотоэлектрического преобразования обладают аморфные, фотохимические и органические фотоэлементы. У первых двух типов он равен примерно 10 процентам, а у последнего – всего лишь 5 процентам. Это означает, что при мощности солнечного потока в 500 Вт солнечная панель площадью один квадратный метр будет вырабатывать соответственно 50 и 25 Вт электроэнергии.

У солнечных батарей на основе кремниевых полупроводников эти показатели выше. Коэффициент фотоэлектрического преобразования на уровне 20%, а при благоприятных условиях — и 25% для них привычное дело. Как результат, мощность метровой солнечной панели может достигать 125 Вт.

Но а теперь вернемся к современным достижениям китайских ученых. В китайском институте химии Академии наук разработали новый тип высокоэффективных солнечных батарей на основе нового класса полупроводников из титаната кальция СаТiO3 , минерала , который называется перовскитом. Они представляют собой уже следующее поколение солнечных батарей.

из работы https://mywatt.ru/poleznaya-in...

Интерес к этому минералу, как потенциальному полупроводнику для фотоэлектрических систем, возник только в 21 веке, с появлением тонкопленочных технологий. Первые же эксперименты подтвердили, что передачу электрического заряда перовскитные солнечные элементы осуществляют ничуть не хуже классических из кремния. Но при этом у новых материалов наблюдалось гораздо лучшее удельное поглощение одного и того же количества излучения.

Причиной оказалась примерно во столько же раз большая эффективная ширина поглощающего спектра у перовскита. Более того, добыча в промышленных масштабах титаната кальция дешевле, а его производство проще.

Наряду с фотовольтаикой на базе полимеров и органики, тонкопленочные перовскиты относят к третьему поколению гелио панелей. Для них характерен ряд важных достоинств: неорганическая структура, широкий спектр диапазона поглощения, возможность использовать в роли электродов углерод вместо золота, высокая скорость и доступность оборудования для изготовления.  Напрмиер, перовскитные солнечные панели сегодня можно напечатать на 3D-принтере среднего уровня. Более того, на выходе несложно получать целые рулоны пленки с возможностью их дальнейшей нарезки при сохранении эксплуатационных качеств каждого отрезка.

Важна также и экологическая чистота производства, так как пленки на базе CaTiO3 - гетероструктурные и не содержат в своем составе экологически опасные химические элементы. Это сильно упрощает процесс их последующей утилизации и не требует установки дорогостоящих улавливателей канцерогенов на стадии производства.

Модифицированные китайскими учеными перовскито-органический тандемные солнечные элементы могут достичь эффективности фотоэлектрического преобразования 26,4%, что является одним из самых высоких показателей для подобных солнечных элементов на сегодняшний день.

Группы ученых из Китая и других стран также работают над улучшением эксплуотационных и физико-электрических характеристик новых солнечныых батарей. Напримр, этого можно добиться при добавлении сложных металло-органических и др. соединений а структуру полупроводников.

  

из работы https://www.pv-magazine.com/20...

...

Вот такая интересная и сложная физика и химия нового класса материалов для солнечных элементов.

...

Читайте:

Солнечные батареи: как это работает. 2013.

https://itc.ua/articles/solnechnyie-batarei-kak-eto-rabotaet/

...

В Китае разработали уникальные солнечные батареи

https://svpressa.ru/science/news/434105/

..

...

Кто изобрел фотоэлемент?

Фотоэлемент — это электронное устройство, которое преобразует световые сигналы в электрические. Этот прибор был изобретен российским физиком Александром Григорьевичем Столетовым в 1873 году.

https://vk.com/wall-194267129_364

...

Солнечные батареи из перовскита.

https://mywatt.ru/poleznaya-informaciya/osobennosti-perovskitnyh-solnechnyh-elementov

...

Inverted perovskite solar cell with 25% efficiency. 2022.

https://www.pv-magazine.com/2022/04/22/inverted-perovskite-solar-cell-with-25-efficiency/

....

Солнечные батареи из перовскита

https://mywatt.ru/poleznaya-informaciya/osobennosti-perovskitnyh-solnechnyh-elementov

...

Perovskite Tandem Solar Cells 2017

https://www.researchgate.net/publication/317233711_Perovskite_Tandem_Solar_Cells

...

Перовскитный солнечный элемент с КПД 22,02%

2024

https://www.prosolar.ru/renews/perovskit-solar-cell-22percent/?ysclid=m2jl5l63k8262778968

...

ПЕРОВСКИТНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 2023

https://engtech.spbstu.ru/userfiles/files/articles/2023/1/Nasiruddin%2C-Vasilopulu.pdf?ysclid=m2jl3c61j730419021

....

https://cont.ws/@apov2014/2703095 

СССР и КНР - два примера передового развития для всего человечества.

...

27 08 2024

https://cont.ws/@apov2014/2874172

Новости Китая. Как проводят борьбу с коррупцией?

...

29 07 2024

https://cont.ws/@apov2014/2857145

Новости Китая. В Пекине уже думают о том, как отметить 100-летие КНР. 2024.

....

Новости Китая. Суперпоезд на магнитной подушке набрал 1000 км/ч в вакуумной трубе. https://cont.ws/@apov2014/2862048

...

https://cont.ws/@apov2014/2828123

Снова о достижениях Китая. Ситуация на рынке жилья. 2024.

...

https://cont.ws/@ardjyna/2809783

Китай будет раздавать жильё бесплатно. 2024.

...

https://cont.ws/@yedkiy/2791622

Китайская угроза или развиваться быстрее Запада не положено 2024

....

https://cont.ws/@apov2014/2561935

Сложный и одновременно простой вопрос : что в Китае - социализм или капитализм? ч. 1.

....

https://cont.ws/@apov2014/2561943

Собака лает, китайский караван идет. часть 2

...

https://cont.ws/@apov2014/2561948

Путь к лидерству на планете - современный Китай. часть 3.

....

https://cont.ws/@apov2014/2561949

Путь к лидерству на планете - современный Китай. часть 4.

...

https://aftershock.news/?q=node/1390961

Китайский план преобразования природы 2024

--

17 01 2024

https://cont.ws/@apov2014/2717548

Достижения Китая 2023.

....