Но все меняется. Физик IOF последние четыре года сосредоточился на наноструктурированных солнечных элементах, пригодных для массового производства, в составе младшей исследовательской группы, финансируемой Федеральным министерством образования и исследований Германии (BMBF). Вместе с командой Фраунгофера и учеными из Университета Фридриха-Шиллера в Йене группа специалистов по оптике ищет рентабельные методы и производственные процессы для повышения как эффективности солнечных панелей, так и гибкости дизайна, которую они дают архитекторам и дизайнерам.
Силиконовые пластины толщиной с бумагу придают цвет солнечным элементамВ настоящее время Фуксель работает со своей командой «эффективных дизайнеров» над основами создания цветных солнечных элементов из кремниевых пластин толщиной с бумагу. Они особенно подходят для декоративных фасадов и крыш домов.
Кремниевый полупроводниковый материал толщиной всего несколько микрометров поглощает свет и превращает его в электричество. Чтобы позволить большому количеству света достичь кремниевой подложки, полупроводниковый слой снабжен оптически нейтральным защитным барьером (изолятором), на который нанесен оксидный слой толщиной в сто нанометров. Этот прозрачный проводящий оксид (TCO) проводит электричество и предназначен в первую очередь для того, чтобы направлять как можно больше легких частиц к нижележащему полупроводниковому слою. «TCO имеет более низкий показатель преломления, чем кремний, поэтому он работает как антибликовое покрытие», — говорит Фуксель.
Простая конструкция этого солнечного элемента SIS (полупроводник-изолятор-полупроводник) с прозрачным внешним слоем имеет еще одно преимущество: он не только улавливает больше света, это означает, что солнечные панели могут быть разных цветов и форм. «Цвет возникает в результате изменения физической толщины прозрачного проводящего оксидного слоя или изменения его показателя преломления», — говорит Фуксель. Таким образом, исследователям из Йены удалось объединить кремний на основе пластин с процессами, заимствованными из тонкопленочной фотоэлектрической энергии.
Они также первыми используют инновационные материалы для покрытия. Оксид индия и олова является наиболее распространенным материалом, используемым сегодня, но он дорог.
Лаборатория IOF работает над тем, как использовать более дешевый оксид цинка с добавлением алюминия. Новые возможности в дизайне фасадов открывают не только солнечные элементы SIS, но также солнечные модули с красителями и гибкие органические солнечные элементы.Но как цвет влияет на эффективность этих новых модулей SIS? «Придание цвета солнечным элементам на самом деле не влияет на их эффективность. Дополнительный прозрачный слой TCO практически не влияет на текущую доходность», — говорит Фуксель.
Моделирование показало, что эффективность SIS-клеток может достигать 20 процентов. На практике эффективность зависит от конструкции солнечных панелей и ориентации здания. Но не каждый цвет позволяет вырабатывать одинаковое количество электроэнергии.
Например, существуют ограничения на определенные сочетания красного, синего и зеленого цветов.Возможность разноцветных ячеек
Чтобы соединить несколько солнечных элементов в единый модуль, ученые IOF будут использовать процессы лазерной оптической сварки. Они обеспечивают точную работу в микрометрическом масштабе и не повреждают окружающий материал. Исследователи также разрабатывают процесс струйной печати, чтобы в дальнейшем контактировать с проводящей совокупной стоимостью владения на кремниевой пластине.
Это ускорит производство и обеспечит дополнительную гибкость при проектировании. Солнечные элементы SIS можно даже использовать для изготовления больших рекламных щитов, вырабатывающих собственное электричество.
Патенты уже охватывают производство цветных элементов, а также возможность интеграции элементов дизайна в солнечные панели и целые модули. «Это открывает многочисленные возможности использования здания для передачи информации, отображения названия компании или даже художественных изображений», — говорит Фуксель.