Люминесцентный солнечный концентратор в решении актуальных проблем современной солнечной энергетики



Описаны актуальные проблемы современной солнечной энергетики и возможные решения, одним из которых является люминесцентный солнечный концентратор. Дана характеристика люминесцентного солнечного концентратора, описаны его преимущества по сравнению с оптическими концентраторами и солнечными элементами в чистом виде. Рассмотрены основные проблемы, связанные с его разработкой и применением на практике, представлены возможные пути их решения.

Солнечная энергия имеет множество преимуществ в сравнении с углеродными источниками энергии. Так, она является возобновляемой, доступна в любой точке планеты и может производиться в непосредственной близости от места потребления. В последние годы мировое производство и, соответственно, рынок солнечных фотоэлектрических модулей демонстрируют уверенный рост около 30% в год [1], что свидетельствует о заинтересованности общества в солнечной энергии. Однако до сих пор доля возобновляемых источников энергии (в т.ч. энергии Солнца) в мировой энергетике не превышает 2% [2], что связано со множеством нерешённых проблем, которые мешают более широкому распространению фотоэлектрических систем.

Несмотря на постоянное снижение удельной стоимости фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) [1], они всё ещё менее рентабельны, чем традиционные источники энергии, что объясняется высокими ценами на фотоэлектрические модули. При этом в структуре их цены стоимость сырья (кремний высокой чистоты и другие материалы) составляет более 80% [1]. Понижение стоимости возможно за счёт снижения доли материалов в себестоимости ФЭП.

В настоящее время развитие солнечной энергетики связано с увеличением эффективности и снижением стоимости преобразования энергии солнца. Так, наиболее распространённые солнечные элементы на основе кристаллического кремния обладают средним коэффициентом полезного действия (КПД) около 20% [2]. Для увеличения количества энергии, получаемой с помощью ФЭП, используются концентраторы солнечного света. При этом обычно используемые концентраторы представляют собой большие подвижные зеркала или линзы Френеля, которые следуют за перемещением солнца для создания оптимального угла падения излучения, так как при рассеянном освещении эффективность ФЭП низка [3]. Изготовление и эксплуатация таких громоздких устройств требуют больших материальных затрат, что в результате не позволяет существенно снизить стоимость использования солнечного света для нужд энергетики. Кроме того, ФЭП, находящиеся в фокусе таких концентраторов, подвержены сильному нагреву, быстро приводящему к ухудшению их свойств, вследствие чего возникает необходимость в специальных системах охлаждения [4, 5].

С другой стороны для наиболее распространенных и дешевых кремниевых солнечных батарей, которые занимают около 90 % мирового производства фотоэлектрических модулей [2], наблюдается неполное совпадение их спектральной чувствительности со спектром солнечного света [3, 6]. Наибольшая эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую для солнечных элементов на основе монокристаллического (c-Si) и поликристаллического (mc-Si) кремния соответствует длинноволновому диапазону вблизи красного и ближнего инфракрасного излучения. Из-за этого ультрафиолет и сине-зеленые диапазоны солнечного спектра используются неэффективно [6, 7]. Для того, чтобы задействовать все спектральные области и тем самым повысить КПД преобразования энергии, могут быть использованы каскадные или многопереходные фотоэлектрические системы. В них фотоэлектрический материал образован многослойной структурой с общей толщиной около 1-5 мкм, содержащей от 2 до 4 полупроводниковых переходов. Таким образом, каждый из слоёв предназначен для преобразования узкого спектрального диапазона солнечного излучения, что позволило получить эффективность преобразования энергии до 44% [8]. Однако стоимость изготовления таких систем крайне высока и не может быть снижена в ближайшее время. В качестве альтернативы могут выступать солнечные элементы с параллельным разделением солнечного спектра, также состоящие из нескольких ФЭП, которые, в свою очередь, не образуют многослойную структуру, а последовательно расположены на одной плоскости. Их стоимость значительно ниже, при этом они практически не уступают каскадным солнечным элементам по эффективности преобразования, которая составляет около 43% [9]. Однако для эффективной работы таких солнечных элементов требуется использование дорогой специальной оптики (фазовых голограмм), предназначенной для разделения солнечного света на узкие диапазоны. В итоге стоимость такой конструкции приближается к стоимость каскадных фотоэлектрических систем.

Наконец, для установки фотоэлектрических систем необходимо наличие достаточно большого количества свободных площадей. Нынешние громоздкие конструкции на основе c-Si и mc-Si не могут быть органично вписаны в структуру большинства современных городов. Для решения этой проблемы могут быть использованы гибкие тонкоплёночные солнечные элементы, для монтирования которых возможно использовать неплоские поверхности. К ним относятся фотоэлектрические модули на основе эпитаксиального кристаллического кремния, аморфного кремния, многокомпонентных полупроводников, средний КПД которых соответственно равен 10%, 7%, 10-15% [2], что значительно ниже вышеописанных ФЭП. При этом значительного снижения стоимости таких солнечных элементов не наблюдается. Существуют органические тонкоплёночные ФЭП, которые в настоящее время имеют наименьшую стоимость, однако их КПД составляет около 6-8% и не выдерживает никакой конкуренции с модулями на основе c‑Si и mc‑Si.

Все эти проблемы потенциально могут быть решены с помощью люминесцентного солнечного концентратора (ЛСК), который представляет собой волновод, легированный люминесцентным материалом (рис. 1). Люминофор избирательно поглощает часть солнечного спектра и переизлучает его на более длинных волнах. Часть переизлучённого света покидает волновод через так называемый "конус потерь", а остальное излучение за счёт полного внутреннего отражения перемещается к торцам, где установленные ФЭП преобразуют его в электрическую энергию. За счёт того, что излучение собирается со всей лицевой поверхности волновода, а выходит через торцы намного меньшей площади, достигается концентрация света.

Рис. 1. Принцип действия люминесцентного солнечного концентратора

ЛСК позволяет сдвинуть область коротковолнового излучения солнечного спектра в более длинноволновый диапазон, где выше эффективность преобразования солнечных элементов, а также достичь высокой оптической концентрации солнечного света в стационарных устройствах за счёт способности улавливать не только прямой, но и диффузный свет. При этом солнечные элементы не будут подвержены избыточному нагреванию. Таким образом, использование ЛСК в комплексе с ФЭП позволит повысить КПД последнего. В зависимости от материала матрицы, люминофора и используемого фотоэлектрического модуля прирост производительности может варьироваться от 0,5 % до 35% [6]. Кроме того, за счёт применения в конструкции ФЭП малой площади для создания таких систем возможно применять наиболее эффективные и дорогие солнечные элементы.

Конструкции, состоящих из ЛСК и ФЭП, могут быть органично интегрированы в городскую инфраструктуру за счёт использования уже имеющихся искусственных поверхностей, например, светопрозрачных конструкций зданий, таких как окна, витражи, карнизы [10, 11]. Перспективно внедрение таких систем в мобильные электронные устройства и ткани (например, рюкзаки) [12].

Стоимость конструкции, состоящей из ЛСК в комплексе с ФЭП, будет значительно ниже стоимости аналогичного по эффективности солнечного элемента в чистом виде. Это объясняется тем, что в первом случае площадь ФЭП, цена которого в большей степени определяет стоимость конструкции, будет меньше. При этом стоимость матрицы и распределённого в ней люминофора будет незначительна по сравнению с общей стоимостью всей конструкции.

В качестве материала матрицы ЛСК могут быть использованы пластмассы, стекло или органические растворители, находящиеся между пластиковыми или стеклянными листами [6]. Полимерные материалы наиболее подходят для этих целей за счёт своих оптических и эксплуатационных свойств, а также технологичности. Для этих целей чаще всего используются полиметилметакрилат и полистирол.

В качестве люминесцентного материала могут выступать органические красители, соединения с ионами редких металлов и квантовые точки, из которых чаще всего используются первые за счёт высокого квантового выхода, удобства использования и низкой стоимости [6]. Их концентрация для эффективной работы не превышает 1 % масс., что положительно сказывается на стоимости конструкции.

Однако ЛСК не лишён недостатков. Достаточно большое влияние на эффективность конструкции оказывает "конус потерь", через который часть переизлучённого света выходит из объёма волновода и уже не может быть использована для преобразования в электрическую энергию. В рамках закона Снеллиуса это объясняется тем, что угол падения этого света на границу раздела фаз волновод‑воздух меньше критического угла, при котором реализуется полное внутреннее отражение:

			(1)
	где	θc — критический угол; n1 — показатель преломления среды, из которой падает луч; n2 — показатель преломления среды, в которую падает луч.

Для снижения потерь внутри волновода необходимо за счёт увеличения его показателя преломления уменьшать критический угол. Однако в таком случае увеличиваются потери за счёт отражения солнечного света по причине увеличения внешнего критического угла. Решение данной проблемы возможно с помощью нанесения на поверхность раздела фаз воздух-волновод покрытия с промежуточным показателем преломления, в результате чего уменьшатся потери на отражение и выход излучения из волновода.

С "конусом потерь" неразрывно связаны потери в результате повторного поглощения переизлучённого света люминофором. Во время движения излучения по волноводу к торцам оно может быть повторно поглощено и переизлучено. Так как люминесценция является квазиизотропной, то часть излучения повторно теряется через "конус потерь". Связано это с перекрыванием областей возбуждения и люминесценции, поэтому необходимо подбирать люминофор с как можно большим сдвигом Стокса.

В подавляющем большинстве известных работ (например, в [11]) описаны окрашенные концентраторы, что значительно снижает круг их возможного использования. В [13] проведено исследование влияния красных ЛСК на эмоциональное состояние человека. Было выявлено, что для комфортного пребывания в помещении его окно может быть покрыто таким концентратором не более, чем на 25-50 %, что значительно снижает эффективность конструкции ЛСК-ФЭП.

Ранее нами были исследованы полимерные композиции на основе полистирола с дибензоилметанатом дифторида бора [14]. Было выявлено, что такие композиции могут быть использованы для создания вторичной оптики светоизлучающих диодов и ЛСК. Данный люминофор обладает достаточно большим сдвигом Стокса (около 40-50 нм), хорошо растворим в полимере, позволяет получать устойчивые к воздействию окружающей среды бесцветные композиции, в которых в зависимости от концентрации дибензоилметаната дифторида бора в большей степени реализуется эксиплексная или эксимерная люминесценция.

Таким образом, современная солнечная энергетика имеет достаточное количество нерешённых проблем, среди которых высокая стоимость солнечных элементов, их низкая эффективность, которая не может быть увеличена традиционными способами без существенных затрат, несовпадение спектральной чувствительности фотоэлектрических преобразователей со спектром солнечного света и громоздкость наиболее эффективных из них. Каждая из этих проблем может быть решена по отдельности путём усовершенствования уже имеющихся технологий. Такой подход требует больших временных и материальных затрат, что препятствует развитию солнечной энергетики в условиях сокращения запасов традиционного органического топлива. Поэтому наиболее перспективным решением, по нашему мнению, является люминесцентный солнечный концентратор. Такое устройство позволит преодолеть все вышеописанные проблемы в достаточно короткий срок без существенных материальных затрат. Однако данное направление всё ещё развивается и требует преодоления множества трудностей, поэтому для достижения промышленно воплощённого результата необходимо интенсифицировать работы в данной области.

Литература:

1. Стребков Д.С., Стенин В.В., Бобовников Н.Ю., Курбатов С.М., Филиппченкова Н.С. Перспективные направления снижения стоимости солнечных энергетических установок // Инновации в сельском хозяйстве. – 2015. – № 4. – С. 198‑205.
2. Миличко В.А., Шалин А.С., Мухин И.С., Ковров А.Э., Красилин А.А., Виноградов А.В., Белов П.А., Симовский К.Р. Солнечная фотовольтаика: современное состояние и тенденции развития // Успехи физических наук. – 2016. – № 8. – С. 801-852.
3. Xing Y., Han P., Wang S., Liang P., Lou S., Zhang Y., Hu S., Zhu H., Zhao C., Mi Y. A review of concentrator silicon solar cells // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2015. – Vol. 51. – P. 1697-1708.
4. Григорьев И.С., Клапшина Л.Г., Лермонтова С.А., Семёнов В.В., Треушников В.М., Треушников В.В., Бушук Б.А., Clement S., Douglas W.E. Эффективные люминесцентные солнечные концентраторы на основе малодефектных органических стекол, содержащих новый цианопорфиразиновый комплекс иттербия // Российские нанотехнологии. – 2012. – № 7. – С. 53-58.
5. Борщов В.Н., Листратенко А.М., Антонова В.А., Костышин Я.Я., Проценко М.А. Тымчук И.Т., Ефанова А.В., Климова Л.В., Шуленко Ю.А., Дегтярева Е.И. Конструктивно-технологические решения концентраторных люминесцентных солнечных модулей на гибких алюминий-полиимидных платах // Светотехника и электроэнергетика. – 2010. – № 2. – С. 38-44.
6. Klampaftis E., Ross D., McIntosh K.R., Richards B.S. Enhancing the performance of solar cells via luminescent down-shifting of the incident spectrum: A review // Solar Energy Materials and Solar Cells. – 2009. – N 8. – P. 1182-1194.
7. Svetlichnyi V.A., Lapin I.N., Vaitulevich E.A., Biryukov A.A. Luminescent solar concentrators. I. Concentrators based on mixtures of dyes in PMMA. Spectral and luminescent properties, reabsorption and energy transfer // Russian Physics Journal. – 2013. – N 2. – P. 225‑232.
8. Dimroth F., Grave M., Beutel P., Fiedeler U., Karcher C., Tibbits T.N.D, Oliva E., Siefer G., Schachtner M., Wekkeli A., Bett A.W., Krause R., Piccin M., Blanc N, Drazek C., Guiot E., Ghyselen B., Salvetat T., Tauzin A., Signamarcheix T., Dobrich A., Hannappel T., Schwarzburg K. Wafer bonded four-junction GaInP/GaAs//GaInAsP/GaInAs concentrator solar cells with 44.7% efficiency // Progress in photovol taics: research and applications. – 2014. – N 22. – P. 277‑282.
9. Huang Q., Wang J., Quan B., Zhang Q., Zhang D., Li D., Meng Q., Pan L., Wang Y., Yang G. Design and fabrication of a diffractive optical element as a spectrum-splitting solar concentrator for lateral multijunction solar cells // Applied Optics. – 2013. – N 11. – P. 2312‑2319.
10. Han B.G., Kim J.S. The Luminescent Solar Concentrators with the H-aggregate of Perylene Diimide Dye Imbedded into PMMA // Fibers and Polymers. – 2015. – N 4. – P. 752-760.
11. Zarcone R., Brocato M., Bernardoni P., Vincenzi D. Building integrated photovoltaic system for a solar infrastructure: Liv-lib’ project // Proceedings of the 4th International Conference. – Istanbul: Elsevier, 2015. – P. 887-896.
12. Correia S.F.H., Lima P.P., Andre P.S., Ferreira M.R.S., Carlos L.A.D. High-efficiency luminescent solar concentrators for flexible waveguiding photovoltaics // Solar Energy Materials and Solar Cells. – 2015. – Vol. 138. – P. 51-57.
13. Vossen F.M., Aarts M.P.J., Debije M.G. Visual performance of red luminescent solar concentrating windows in an office environment // Energy and Buildings. – 2016. – N 113. – P. 123-132.
14. Khrebtov A.A., Lim L.A., Fedorenko E.V., Reutov V.A., Babiy M.Y., Borovskiy A.V., Trifonov A.V. Luminescent polymeric compositions with boron difluoride dibenzoylmethane: properties and applications // Program and Abstract Book of 12th International Saint-Petersburg Conference of Young Scientists. – Saint-Petersburg: Icing, 2016. – P. 132.