Предстоящее истощение ископаемых видов топлива диктует растущий спрос в области восполняемой энергетики, а недавняя трагедия в Японии заставляет отказаться от ядерного топлива и сосредоточиться именно на энергии солнечного света. Органические фотоэлементы, особенно на основе полимеров, привлекают в последние годы большое внимание благодаря низкой стоимости, потенциально высокой мощности и эффективности преобразования энергии. К настоящему моменту КПД полимерных солнечных ячеек, основанных на системе полимер-фуллерен, приближается к 10%. Производные фуллерена сегодня являются основным типом молекул n-типа для полимерных солнечных элементов благодаря их высокой электроотрицательности и высокой подвижности электронов.
Еще одна интересная разработка в области солнечных батарей – это сенсибилизированные красителем солнечные элементы, или ячейки Гретцеля, как их принято называть в русскоязычной литературе по имени их создателя, проф. Гретцеля из EPFL, Швейцария. В этих ячейках функции поглощения света, транспорта электрона и транспорта дырок выполняются отдельными материалами. Ячейки Гретцеля используют энергию окислительно-восстановительных реакций, и, используя этот подход, ученые смогли увеличить эффективность преобразования света до 11%, а сегодня, заменяя красители и red-ox систему, появляются реальные перспективы в скором времени достичь эффективности преобразования энергии более чем до 15%.
В 2004 году был продемонстрирован новый класс солнечных элементов – солнечные элементы с промежуточной зоной. Эти ячейки состоят из материала с промежуточной зоной, заключенного между двумя обычными материалами n- и р-типа. Фотоны с энергией меньше, чем зазор между зоной проводимости и валентной зоной, могут быть поглощены в два этапа: сначала между валентной зоной и промежуточной зоной, а затем между промежуточной зоной и зоной проводимости. Исследователи в этой области ожидают, что объемные солнечные батареи с промежуточной зоной могут повысить мощность преобразования энергии современных тонкопленочных солнечных батарей.
Важным свойством солнечных батарей является поглощение света, рост которого приводит и к росту производимой энергии. Поглощение света может быть улучшено за счет использования более толстого слоя материала для увеличения длины оптического пути, но это противоречит всем усилиям по снижению стоимости модулей солнечных батарей за счет уменьшения толщины ячейки. Ответом на этот компромисс могут стать поверхностные плазмоны: направление их распространения - вдоль поверхности металл-диэлектрик и, следовательно, не зависит от толщины ячейки. Ученые отмечают, что при должном формировании и упорядочении металлических наночастиц можно очень эффективно повысить производительность фотоэлементов.
Другой способ добиться эффективного поглощения света – это более грамотный сбор ячейки. Недавний прогресс в развитии солнечных элементов на основе коллоидных квантовых точек, диаметр которых можно непрерывно менять, показал, что при грамотном подборе можно получить набор квантовых точек, поглощающий свет во всем солнечном спектре.
Чтобы захватить также и УФ излучения, в солнечные батарейки можно ввести дополнительные переизлучающие слои: эти материалы будут поглощать свет в УФ диапазоне и излучать видимый свет, который будет поглощаться ячейкой. Использование up-конвертеров позволяет также переизлучать поглощаемый свет в ИК диапазоне в видимую область.
А что же с более развитыми кремниевыми солнечными батарейками? Стюартом Венхам, технический директор компании Suntech, одного из крупнейших мировых производителей кремниевых солнечных панелей, утверждает, что Suntech в своих коммерческих кремниевых солнечных элементах недавно достигли эффективности преобразования энергии до 20,3%. Для производителей солнечных ячеек основной задачей является снижение затрат, и Венхам указывает, что это может быть достигнуто как за счет повышения эффективности преобразования энергии, так и сокращения затрат производства. Как только стоимость солнечной энергии упадет ниже стоимости ископаемой энергии, этот рынок действительно сильно вырастет.
По прогнозам специалистов к концу этого столетия мировое энергопотребление вырастет более чем в четыре раза. Несмотря на быстрый прогресс в исследовании фотоэлектронных устройств, основной задачей в настоящее время является разработка методов хранения энергии, собранной в течение дня, для ее использования в ночное время. Только при решении этой проблемы солнечная энергетика сможет достаточно быстро расти, чтобы занять место основного поставщика восполняемой энергии.
