Скоростные авто на солнечных батареях — дело ближайшего будущего

Солнце для получения электроэнергии используют с  середины прошлого века. С  тех пор эффективность устройств, что преобразуют энергию солнечного света в  электричество, особо не  выросла.

«Сегодня КПД солнечных батарей редко превышает  20%, средний показатель  — 15%. Наши исследования увеличат эту цифру на  треть»,  — уверен руководитель научно-исследовательской лаборатории «Физика функциональных материалов углеродной микро- и  оптоэлектроники» Анатолий Зацепин.

Как вместе с  коллегами они изучают оптические свойства наноструктур, чтобы создать материалы, свойствами которых можно управлять, он  рассказал в  рамках проекта УрФУ и  66.RU «Человек наук».

Работаем на  наноуровне

Наши исследования относятся к  квантовой оптике, точнее  — нанофотонике. Это сравнительно новая область науки, которая возникла на  стыке традиционной оптики, физики твердого тела и  лазерной физики. Приставка «нано-» говорит сама за  себя: исследуемые объекты очень малы. Чтобы понять, над чем работаем, приведу такой пример. Вы  открываете кран, бежит вода  — льется потоком. Но  этот поток состоит из  отельных частиц  — молекул воды. Можно изучать поток: измерять его скорость, напор, температуру,  — либо исследовать частицы потока. То  же со  светом: как ведет себя поток света в  тех или иных условиях, изучает традиционная оптика. Мы  же исследуем поведение квантов света  — фотонов, и  явления, которые происходят, когда фотоны взаимодействуют с  веществами в  наноструктурах.

Свет  — электромагнитное излучение. Человеческому глазу доступна малая его часть  — видимый спектр. Инфракрасное или ультрафиолетовое излучение  — это тоже свет, только другой частоты. Когда на  вещество воздействуют световые волны разных частот, его атомная структура и  электронная структура могут меняться. Вы  же знаете, что каждое вещество состоит из  атомов, вокруг ядер вращаются электроны  — это школьный курс физики. При облучении материала квантами определенной частоты электроны переходят в  возбужденное состояние, начинают поглощать одни виды энергии, выделять  — другие. Это называется конверсией энергии  — один вид переходит в  другой.

Если мы  поймем законы, по  которым происходит конверсия, научимся управлять процессом.

Так было с  электроникой: вначале ученые выяснили, что есть элементарные частицы  — электроны; потом узнали, как эти частицы себя ведут в  различных эгнергетических состояниях, как изменяются под воздействием тех или иных физических полей. Чем больше узнавали, тем миниатюрнее и  быстрее становились приборы, работающие на  электронном принципе. Сначала это были ламповые приемники, сегодня  — микропроцессоры. Фотоника  — по  сути, та  же электроника, только частицы другие, более быстрые.

Ищем новые материалы

Применить новые знания можно в  самых разных областях  — от  обработки и  хранения информации до  альтернативной энергетики. Скажем, одна из  задач, над которой работают ученые всех стран мира,  — повысить скорость компьютеров. Электронному мозгу предлагается обрабатывать все больше и  больше информации, а  времени на  это дается все меньше. Сегодняшняя электроника использует преимущественно кремний, но  потенциал этого полупроводникового материала в  плане быстродействия и  миниатюризации практически исчерпан. Это как самолет: летит быстро, но  ракетой не  станет.

Кремний используют и  в  солнечных батареях. Но  максимальный КПД такого источника энергии 15–22%. Это объясняется свойствами материала: кремний не  напрямую преобразует свет в  электроэнергию, а  с  привлечением дополнительных частиц. Грубо говоря, процесс пойдет только тогда, когда столкнутся три частицы  — электрон, фотон и  фонон. Даже двум людям подчас трудно встретиться, а  тут три квантовые частицы, поведение которых и  так носит вероятностный характер! К  тому  же фонон  — квант тепловой энергии атомов, тепло. Значит, часть солнечной энергии не  преобразуется в  электричество, а  просто уходит в  тепловые потери.

Создаем дефекты в  кристаллах

Изменять характеристики твердых тел ученые пробовали и  раньше. Для придания необходимых свойств в  кристаллическую решетку внедряют атомы других веществ  — это называется легирование. В  результате в  кристаллах возникают точечные дефекты и  новые наноструктуры. Как раз эти дефекты и  придают материалу необходимые свойства.

Моя ученица Юлия Кузнецова успешно экспериментирует с  легированными фотонными наночастицами оксида гадолиния  — редкоземельного металла с  особыми оптическими, электронными и  магнитными свойствами. Этот материал сегодня используют во  многих отраслях  — от  атомной энергетики и  металлургии до  медицины. В  наших исследованиях оксид гадолиния также пригодился: в  наночастицах этого материала создаются такие дефекты кристаллической решетки, за  счет которых УФ-излучение преобразуется в  свет видимого диапазона. Тепловые потери при этом снижаются. Эти свойства мы  использовали для создания более энергоемких солнечных батарей.

В  медицине наши исследования тоже пригодятся

Мы  сконструировали на  базе традиционной ячейки солнечной батареи прототип батареи нового типа  — с  дополнительными элементами, которые конвертируют один вид энергии в  другой. Опробовали в  различных режимах  — результат вдохновляет: КПД вырос почти до  30%. Так что скоростные авто на  солнечных батареях  — дело ближайшего будущего.

Наши исследования могут помочь и  в  лечении онкологии. Какая тут связь? Вопрос сводится к  пониманию законов конверсии энергии и  способности управлять этим процессом. Можно запустить наночастицу с  заданными свойствами через кровь или другую биологическую жидкость в  организм и  воздействовать на  нее инфракрасным излучением. Это длинные волны, которые проникают в  мягкие ткани и  не  причиняют вреда. Поглощенное наночастицей первичное инфракрасное излучение преобразуется, к  примеру, в  ультрафиолетовое  — и  уничтожает больные клетки. Это уже технология сегодняшнего дня.

По материалам 66.RU