Новости

25 марта, 2021 19:18

Идеальная толщина. Предложен универсальный подход к моделированию параметров солнечных батарей

Источник: Коммерсант
При преобразовании света в электричество в солнечных батареях часть энергии неизбежно рассеивается. Правильно подобранные параметры конструкции могут минимизировать эти потери и увеличить эффективность работы устройств. Для этого российские и канадские ученые разработали математическую модель, описывающую поглощение света и его превращение в электрический ток, сконструировали солнечные батареи и успешно подтвердили свои предсказания. Расчеты уникальны тем, что их можно применять к фотоэлементам со светопоглощающими слоями из разных материалов. Теперь исследователи планируют создать компьютерную программу для расчета параметров, тестирования и диагностики фотоэлементов на основе неизученных материалов. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).
Приготовление образца фотоэлемента в атмосфере аргона. Источник: ИФХЭ РАН
Фото научной группы. Источник: ИФХЭ РАН
3 / 4
Приготовление образца фотоэлемента в атмосфере аргона. Источник: ИФХЭ РАН
Фото научной группы. Источник: ИФХЭ РАН

Среди альтернативных источников энергии свет обладает наиболее широким спектром применения — от крошечного фотоэлемента для подзарядки гаджетов до гигантских «крыльев» космических спутников. Города могут обеспечиваться электроэнергией за счет покрытия солнечными элементами свободного пространства разных архитектурных сооружений.

Основной элемент солнечной батареи — поглощающий свет слой, расположенный между двумя накапливающими заряд пластинами — электродами. Частицы света — фотоны — поглощаются молекулами среднего слоя, а их энергия способствует «выбиванию» электронов из атомов материала. На месте «удара» возникают так называемые дырки — носители положительного заряда. За счет движения электронов и дырок к противоположно заряженным электродам и возникает электрический ток. Эффективность солнечной батареи зависит от природы и толщины фотоактивного слоя. Среди поглощающих свет материалов для солнечных элементов нового поколения наиболее перспективны кристаллы перовскита и пленки из полимерной смеси.

Ранее ученые предпринимали попытки моделировать процессы внутри солнечных батарей, но для каждого материала в отдельности. Ученые из Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН (Москва) совместно с коллегами из Университета Куинс в Кингстоне (Канада) смоделировали оптические параметры перовскитного и полимерного фотоактивных слоев, используя метод матриц переноса. Этот математический прием позволяет рассчитать распространение светового потока в фотоактивном материале и оценить толщину, при которой устанавливается оптимальное соотношение между концентрациями поглощаемых фотонов и рождающихся после этого электронов и дырок в единицу времени.

Чтобы проверить расчеты, ученые сконструировали солнечные батареи на основе перовскитных и полимерных материалов и измерили их характеристики. Результаты эксперимента полностью подтвердили предсказания математической модели для обоих типов батарей.

«Результаты наших исследований показывают, что моделирование с применением метода матриц переноса позволяет рассчитывать оптимальные параметры солнечных батарей независимо от природы фотоактивного слоя. Мы полагаем, что предложенная модель поможет снизить затраты времени и материалов при разработке солнечных элементов и фотодиодов с применением новых фотоактивных соединений. Исходя из полученных данных, мы планируем создать компьютерную программу для расчета параметров, тестирования и диагностики фотоэлементов на основе неизученных материалов. Разработка новых материалов для таких устройств выполняется сотрудниками Института органического синтеза им. И. Я. Постовского УрО РАН и Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН в рамках проекта РНФ»,— сообщил Алексей Тамеев, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН.

 

17 мая, 2021
Сибирские ученые исследуют наночастицы для использования в сфере печатной электроники
Сотрудники Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН уже несколько лет ведут исследо...
13 мая, 2021
Пористые наночастицы помогут эффективнее доставлять лекарства длительного действия
Российские химики получили наноконтейнеры для лекарств из металлоорганического материала на основе ц...