XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

История открытия солнечной энергии

Еще в древности люди начали задумываться о возможностях применения солнечной энергии. Согласно легенде, великий греческий ученый Архимед сжег неприятельский флот, осадивший его родной город Сиракузы, с помощью системы зажигательных зеркал. Доподлинно известно, что около 3000 лет назад султанский дворец в Турции отапливался водой, нагретой солнечной энергией. Древние жители Африки, Азии и Средиземноморья получали поваренную соль, выпаривая морскую воду. Однако больше всего людей привлекали опыты с зеркалами и увеличительными стеклами. Настоящий "солнечный бум" начался в XVIII столетии, когда наука, освобожденная от пут религиозных суеверий, пошла вперед семимильными шагами. Первые солнечные нагреватели появились во Франции. Естествоиспытатель Ж. Бюффон создал большое вогнутое зеркало, которое фокусировало в одной точке отраженные солнечные лучи. Это зеркало было способно в ясный день быстро воспламенить сухое дерево на расстоянии 68 метров. Вскоре после этого шведский ученый Н. Соссюр построил первый водонагреватель. Это был всего лишь деревянный ящик со стеклянной крышкой, однако вода, налитая в немудреное приспособление, нагревалась солнцем до 88°С. В 1774 году великий французский ученый А. Лавуазье впервые применил линзы для концентрации тепловой энергии солнца. Вскоре в Англии отшлифовали большое двояковыпуклое стекло, расплавлявшее чугун за три секунды и гранит - за минуту.

Первые солнечные батареи, способные преобразовывать солнечную энергию в механическую, были построены опять-таки во Франции. В конце XIX века на Всемирной выставке в Париже изобретатель О. Мушо демонстрировал инсолятор - аппарат, который при помощи зеркала фокусировал лучи на паровом котле. Котел приводил в действие печатную машину, печатавшую по 500 оттисков газеты в час. Через несколько лет в США построили подобный аппарат мощностью в 15 лошадиных сил.

Подходили годы, инсоляторы использующие солнечную энергию совершенствовались, но принцип оставался прежним: солнце - вода - пар. Но вот, в 1953 году ученые Национального аэрокосмического агентства США создали настоящую солнечную батарею - устройство, непосредственно преобразующее энергию солнца в электричество.

Еще в 70-х годах 19 века был открыт так называемый фотоэлектрический эффект - явление, связанное с освобождением электронов твердого тела или жидкости под действием электромагнитного излучения. В 30-х годах глава физиков нашей страны академик А. Ф. Иоффе высказал мысль о использовании полупроводниковых фотоэлементов в солнечной энергетике. Правда, рекордный коэффициент полезного действия (КПД) тогдашних материалов не превышал 1 процента, то есть, в электричество превращалась лишь сотая часть световой энергии. После многолетних экспериментов удалось создать фотоэлементы с КПД до 10-15%. Затем американцы построили солнечные батареи современного типа. В 1959 году они были установлены на одном из первых искусственных спутников Земли, и с тех пор все космические станции оснащаются многометровыми панелями с солнечными батареями. Низкий КПД солнечных батарей можно было бы компенсировать большой площадью, например, покрыть всю пустыню Сахару фотоэлементами - и готова мощнейшая солнечная электростанция. Однако кремниевые полупроводники, на основе которых производятся солнечные батареи, очень дорого стоят. И чем выше КПД, тем дороже материалы. Вследствие этого доля солнечной энергии в сегодняшней энергетике невелика. Однако в связи с не бесконечностью ископаемого топлива, доля энергии получаемой солнечными батареями будет неминуемо возрастать. Так же росту использования солнечных батарей способствуют разработки направленные на повышение КПД и понижение их стоимости.

Одно из главных достоинств солнечной энергии - ее экологическая чистота. Правда, соединения кремния могут наносить небольшой вред окружающей среде, однако по сравнению с последствиями сжигания природного топлива такой ущерб - капля в море.

Полупроводниковые солнечные батареи имеют очень важное достоинство 

- долговечность. При том, что уход за ними не требует от персонала особенно больших знаний. Вследствие этого солнечные батареи становятся все более популярными в промышленности и быту.

Несколько квадратных метров солнечных батарей вполне могут решить все энергетические проблемы небольшой деревушки. В странах с большим количеством солнечных дней - южной части США, Испании, Индии, Саудовской Аравии и прочих - давно уже действуют солнечные электростанции. Некоторые из них достигают довольно внушительной мощности.

Сегодня уже разрабатываются проекты строительства солнечных электростанций за пределами атмосферы - там, где солнечные лучи не теряют своей энергии. Уловленное на земной орбите излучение предлагается переводить в другой тип энергии - микроволны - и затем уже отправлять на Землю. Все это заучит фантастично, однако современная технология позволяет осуществить такой проект в самом близком будущем.

Большое количество научных экспериментов и тонких технологий требуют подчас создания огромной температуры. Идеальный вариант - солнечная энергия, способная создавать гигантские температуры на небольшой площади. Самая известная "солнечная печь" действует во французском местечке Одило. Ее подвижные зеркала концентрируют энергию солнца с большой площади на площадке менее одного квадратного метра. Эта площадка находится на небольшой башне перед системой зеркал. В ясные дни в фокусе зеркал удается достигнуть температуры в 3300°С. С ее помощью в Одило создают материалы с особенными свойствами, которые невозможно получить в традиционной металлургии.

Солнечные батареи

В наше время тема развития альтернативных способов получения энергии как нельзя более актуальна. Традиционные источники стремительно иссякают и уже через каких-нибудь пятьдесят лет могут быть исчерпаны. И уже сейчас энергетические ресурсы довольно дороги и в значительной мере влияют на экономику многих государств.

Всё это заставляет жителей нашей планеты искать новые способы получения энергии. И одним из наиболее перспективных направлений является получение солнечной энергии. И это вполне естественно. Ведь именно Солнце даёт жизнь нашей планете и обеспечивает нас теплом и светом. Солнце обогревает все уголки Земли, управляет реками и ветром. Его лучи выращивают не менее одного квадриллиона тонн всевозможных растений, которые, в свою очередь, являются пищей для животных.

Таким образом, мы уже используем солнечную энергию в своих нуждах и все традиционные источники энергии (нефть, уголь, торф) появились на земном шаре благодаря Солнцу.

Человек с самых древних времён учился пользоваться дарами Солнца. Даже простой костёр, который согревал наших предков тысячи лет назад и продолжает это делать теперь, является по сути дела использованием солнечной энергии, которую накопила древесина. Но Солнце способно удовлетворять и более масштабные потребности человека. По подсчётам учёных, человечество нуждается в десяти миллиардах тонн топлива.

Если высчитать количество таких условных тонн, которые предоставляются Солнцем в течение года, мы получим фантастическую сумму – около ста триллионов тонн. Таким образом, люди получают количество энергии, превышающее необходимые ресурсы в десять раз. Нужно только взять это энергетическое богатство. Вот этот вопрос и является крайне актуальным для науки.

Результатом многолетней работы стало такое устройство как солнечная батарея.

Более дешевые, экологичные электроды для гибких солнечных батарей

Исследователи Росс Хаттон, Сильвия Вараньоло и Джэмин Ли из Университета Уорика с тонкой узорчатой металлической пленкой, созданной с использованием нового метода прямого осаждения. Команда считает, что эта технология могла бы помочь улучшить перспективы создания гибких органических солнечных элементов следующего поколения. 

Ключевой движущей силой исследований солнечных элементов является их способность предложить надежную альтернативу ископаемому топливу, тем самым принося пользу окружающей среде. Но если чистая энергия, получаемая от солнечных элементов, является экологически чистой, то некоторые аспекты ее производства не имеют ничего общего. Один пример: множество электродов, которые должны быть нанесены на поверхность солнечного элемента - обычно в процессах, которые требуют химического травления или других процессов, которые производят потоки токсичных отходов.

Теперь команда из Университета Уорика, Великобритания, придумала, что может быть гораздо более быстрым, дешевым и экологически устойчивым способом прямого нанесения серебряных и медных электродов сложной формы, Исследователи полагают, что метод, который использует хорошо изношенный, недорогой метод вакуумного испарения и некоторую умную химию поверхности, готов к «немедленному практическому внедрению» в различных областях применения, существующих и будущих, включая новые поколение тонкопленочных, гибких солнечных элементов, датчиков следующего поколения и стекла с низким коэффициентом излучения.

Противные химикаты

Узорчатые электроды на поверхности солнечных элементов, а также другие оптоэлектронные устройства, такие как плазмонные датчики, могут быть довольно сложными, включая массивы структур в микронном масштабе или даже меньше. Обычный метод изготовления этих структур включает нанесение непрерывного слоя меди или серебра (двух наиболее распространенных электродных металлов), а затем травление частей, где металл не нужен, с использованием некоторых довольно неприятных химических веществ - процесс, который создает потоки токсичных химических и металлических отходов.

Лучшим способом было бы непосредственное размещение металлов по желаемой схеме, что снижает затраты на отходы и материалы. Но наиболее распространенный способ сделать это, электрохимическое осаждение, также, по словам исследователей, стоящих за новым исследованием, «химически интенсивный и медленный растворный процесс».

Антипригарная поверхность

Вместо этого команда Warwick, в которую вошли химики Сильвия Вараньоло, Джэмин Ли и Росс Хаттон, а также физик Хуари Амариб, рассмотрели перспективы создания узорчатых электродов с использованием хорошо зарекомендовавшего себя дешевого метода производства, простого вакуумного (термического) испарения, широко распространенного в пищевой промышленности, а также в исследовательских лабораториях. Но самое сложное - попытаться выяснить, как адаптировать эту технику, используемую для создания металлических пленок большой площади, для создания высокопрозрачных, полупрозрачных и ультратонких электродов, используемых в солнечных элементах и оптоэлектронных устройствах.

Узорчатый металл, выполненный в новой технике.

Команда обнаружила, что секрет в этом заключается в промежуточном материале - тонкой пленке с узором толщиной 10 нм из дешевого, низкотоксичного фторорганического фтора, который можно напечатать на поверхности устройства. Как только эта пленка установлена, оказывается, что серебро или медь, осажденные с помощью вакуумного испарения, не будут конденсироваться на участках поверхности, покрытых пленкой FTS, а только на оголенных участках. (Интересно, и, возможно, не случайно, что фторорганические соединения, такие как FTS, также часто используются в качестве ингредиента в антипригарных кастрюлях.) Таким образом, металл идет только туда, где этого требует дизайн рисунка, без необходимости химического травления частей непрерывного процесса. металлическая поверхность для создания окончательного рисунка электрода.

Шесть миллионов отверстий на квадратный сантиметр

В качестве доказательства концепции команда использовала микроконтактную печать FTS для создания шаблонов для разнообразных узорчатых электродов и создала прототипы устройств, в том числе полупрозрачные органические солнечные элементы с верхним серебряным электродом, упакованным в шесть миллионов диаметром 2 мкм. отверстия или отверстия на квадратный сантиметр. «Насколько нам известно, - пишет команда, - такого подвига «нельзя достичь никакими другими масштабируемыми средствами непосредственно на органическом электронном устройстве ». Хотя исследователи использовали микроконтактную печать для прототипа, они подчеркивают, что они «не видят непреодолимого препятствия» для масштабирования до недорогих методов промышленного масштаба, таких как непрерывная рулонная обработка фторорганического слоя и тем самым применение техники для создания узорчатых металлических пленок в промышленных масштабах. И эта технология не требует удаления металла и, следовательно, никаких металлических и токсичных химических отходов, что, как утверждает команда, дает ей преимущество в стоимости материалов и экологической устойчивости.

Руководитель группы Росс Хаттон, с образцом узорчатого металла, созданного методом прямого осаждения команды Warwick.

Команда считает, что методика, которую, как утверждают исследователи, должна быть готова к «немедленному практическому применению» в свете уже проделанной работы, может оказаться особенно полезной при создании следующего поколения легкого, гибкого тонкопленочного перовскита или органики солнечные батареи. Хаттон, руководитель группы, сказал в пресс-релизе, что инновация команды «позволяет нам реализовать мечту о действительно гибких, прозрачных электродах, соответствующих потребностям нового поколения тонкопленочных солнечных элементов, а также множестве других потенциальных применений. от датчиков до низкоэмиссионного стекла ».3

Код для цитирования: Скопировать