Исследователи разработали полупрозрачные солнечные элементы, которые можно встраивать в окна и получать электричество не только от солнца, но и от обычного освещения внутри помещений. Технология превращает стеклянные фасады в дополнительный источник энергии и продолжает работать в пасмурную погоду, вечером и ночью, когда в здании включены лампы.
Разработку представила международная группа под руководством специалистов Университетского колледжа Лондона. Авторы изготовили солнечное окно, которое пропускает около 30% падающего света и одновременно вырабатывает электричество. Обычное прозрачное стекло пропускает примерно 80–90%, поэтому новая панель заметно темнее, однако по светопропусканию она сопоставима с тонированными окнами.
Основа устройства - перовскит, материал с кристаллической структурой, состав которой можно менять под нужный диапазон излучения. Кремниевые панели лучше всего работают под прямым или рассеянным солнечным светом, тогда как перовскиты удаётся настроить на длины волн, характерные для светодиодных и других комнатных ламп.
Такая особенность важна для современных зданий с большими стеклянными фасадами. Крыши уже часто занимают обычные солнечные панели, но площадь окон во много раз больше и почти не участвует в выработке энергии. Полупрозрачные элементы позволяют использовать стекло без полной замены архитектурной конструкции.
Главная сложность заключалась в балансе между прозрачностью и эффективностью. Чем толще светопоглощающий слой, тем больше энергии он собирает, но тем меньше света проходит через окно. Слишком тонкий материал сохраняет прозрачность, однако хуже поглощает излучение.
Исследователи рассчитали подходящее расположение и толщину слоёв с помощью компьютерного моделирования. Светопоглощающий слой перовскита сделали толщиной 185 нанометров. Это примерно в 500 раз меньше толщины человеческого волоса и в три-четыре раза меньше, чем у перовскитных элементов обычного типа.
Уменьшение толщины само по себе могло снизить выход энергии, поэтому разработчикам пришлось улучшить качество материала. В перовскит добавили молекулу 3-трифторметил-1H-1,2,4-триазола. Она сокращает число дефектов кристаллической решётки, которые работают как ловушки для носителей заряда.
Когда электрон попадает в такую ловушку, его энергию уже нельзя вывести во внешнюю цепь. Чем меньше подобных дефектов, тем выше доля света, которую элемент превращает в электричество. Добавка одновременно укрепляет кристаллическую структуру и замедляет разрушение материала при длительной работе.
Ещё одна проблема возникла с электродом. В перовскитных солнечных элементах для отвода тока часто используют золото, но металлический слой плохо пропускает свет. Полностью отказаться от него нельзя, поскольку электрод должен сохранять высокую электропроводность.
Команда поместила очень тонкую золотую плёнку между двумя прозрачными слоями оксида молибдена. Такая многослойная конструкция уменьшила отражение на границах материалов, поэтому через металлический электрод проходило больше света.
На основе новой структуры исследователи изготовили панель размером 30 на 30 сантиметров. При ярком комнатном освещении в 1000 люкс она преобразовала в электричество 22% поступившей световой энергии. Под солнечным светом эффективность достигла 14%.
Сравнивать эти значения напрямую нужно осторожно. Интенсивность комнатной лампы намного ниже солнечной, поэтому даже высокий процент преобразования не означает такой же мощности на единицу площади. Внутри здания окно сможет питать прежде всего датчики, беспроводные устройства, элементы автоматизации и другую маломощную электронику.
При естественном освещении панель вырабатывает заметно больше энергии и может дополнять обычные солнечные установки. Авторы рассчитывают, что в будущем большие стеклянные поверхности позволят частично компенсировать энергопотребление офисов, торговых центров и жилых высоток.
Затемнение окна даёт и дополнительный эффект. Панель задерживает часть солнечного излучения, поэтому помещения меньше нагреваются. В регионах с жарким климатом такой фасад способен одновременно производить электричество и снижать нагрузку на кондиционеры.
Также проверили устойчивость материала. Незащищённый лабораторный образец сохранил около 80% первоначальной эффективности после 300 часов непрерывного освещения в условиях ускоренного испытания. Результат показывает, что структура выдерживает длительную работу, хотя для коммерческих окон потребуются гораздо более продолжительные тесты.
Следующая задача связана с масштабированием. Образца размером 30 сантиметров достаточно для демонстрации принципа, но производство больших однородных панелей сложнее. Толщина всех слоёв должна оставаться стабильной по всей площади, иначе отдельные участки будут пропускать разное количество света и вырабатывать неодинаковый ток.
Команда также хочет сделать элементы гибкими. Тонкую плёнку можно будет наносить на изогнутые фасады, автомобильные окна, люки, одежду и рюкзаки. В долгосрочной перспективе исследователи рассчитывают приблизить технологию к обычной оконной плёнке, которую наносят на готовое стекло без серьёзной перестройки здания или транспорта.
Перед практическим внедрением инженерам предстоит повысить долговечность, увеличить площадь элементов и наладить серийное производство. Перовскиты чувствительны к влаге, кислороду и температурным колебаниям, поэтому готовым изделиям понадобится надёжная герметизация.