Австралийская команда исследователей установила новый рекорд в гелиоэнергетике

В Университете Нового Южного Уэльса (UNSW) создали самое эффективное покрытие для солнечных панелей, позволяющее достичь коэффициента преобразования энергии выше 40%. В 1989 году исследователи из этого же университета преодолели другую историческую отметку, добившись показателя эффективности солнечных панелей в 20%. Улучшить характеристики вдвое удалось за счёт анализа множества перспективных соединений, выполняющих роль оптических частотных фильтров.

Впервые преобразование более сорока процентов энергии солнечного света в электрическую было продемонстрировано при испытаниях, проводимых на открытом воздухе в Сиднее. Затем результат был подтверждён в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) на испытательном стенде в США. Таким образом, эффективность новых солнечных панелей мало зависит от климатических факторов: они демонстрируют одинаково высокие показатели на двух континентах и в разных полушариях Земли.

«На сегодня это самый высокий показатель, когда-либо достигнутый в гелиоэнергетике», – комментирует профессор Мартин Грин (Martin Green), директор Австралийского центра перспективной фотовольтаики (ACAP).

Профессор Мартин Грин демонстрирует солнечную панель с новым оптическим фильтром (фото: abc.net.au).

«Эффект достигается при использовании сфокусированного солнечного света, – поясняет Мартин Грин. – Это особенно важно для гелиостанций башенного типа, которые сейчас разрабатываются в Австралии». Их возведением занимается местная компания RayGen Resources. Её специалисты оказывали исследователям UNSW проектную и техническую поддержку при создании прототипа.

Работа выполнялась при поддержке Австралийского агентства по возобновляемым источникам энергии (НРС). Достижение показателя эффективности в 40% стало возможным за счёт комбинации известных подходов. Совместно с RayGen исследователи разработали систему для фокусировки солнечного света и гелиостат, удерживающий её постоянное направление на Солнце. Лучшие в отрасли солнечные панели изготовила американская компания Spectrolab – дочернее подразделение концерна Boeing. В них используется арсенид галлия на подложке из германия, что обеспечивает два p-n перехода для фотонов с разной энергией.

Солнечная электростанция RayGen гибридного типа (фото: reneweconomy.com.au).

Однако сфокусированный свет быстро приводил к перегреву фотоэлементов и их выходу из строя. Поэтому на них нанесли различные оптические фильтры. Ключевым элементом стало новое интерференционное покрытие, которое пропускает световое излучение в заданном спектральном интервале и блокирует длины волн в нерабочей области, что снижает нежелательный нагрев фотоэлемента.

Руководитель исследования доктор Марк Киверс (Mark Keevers) отметил, что коэффициент преобразования в 40% был достигнут с использованием серийно выпускаемых компонентов. Поэтому техническая возможность наладить производство более совершенных солнечных панелей есть уже сейчас.

Комбинированный подход RayGen: солнечная энергия преобразуется в электрическую напрямую или через теплоноситель (фото: reneweconomy.com.au).

Пока альтернативные источники составляют малую долю от генерируемой в мире электроэнергии. Большая часть потребностей в ней по-прежнему обеспечивается за счёт ТЭС и АЭС. Развитие энергетики на возобновляемых источниках особенно выгодно в определённых регионах, где долговременно существуют подходящие климатические условия. Способность экспериментальных установок конкурировать с электростанциями традиционных типов напрямую зависит от их КПД, который коррелирует с коэффициентом преобразования и до недавнего времени был весьма невысок – от 10% для кремниевых фотоэлементов до 32% у многослойных структур на основе галлия, индия, фосфора и германия.

При КПД выше сорока процентов электростанции на солнечных батареях оказываются предпочтительнее установок коллекторного типа, в которых энергия ИК и видимого света используется для нагрева теплоносителя. Фотоэлементы гораздо безопаснее и дешевле в обслуживании, хотя и обходятся дороже на первом этапе. Кроме того, за счёт прямого преобразования энергии их можно использовать для питания бытовых и портативных устройств.

Подробнее о применении фильтров для повышения коэффициента преобразования солнечных панелей авторы исследования расскажут в готовящейся статье для журнала Progress in Photovoltaics и в ходе начавшейся сегодня университетской научно-практической конференции.