Одним из важнейших ресурсов на планете является энергия. Без нее невозможно производство, быт, исследования, медицина и многое другое. Добыча энергии с использованием ископаемых ресурсов была когда-то единственным вариантом, но с приходом осознания конечности таких ресурсов, мы переключили внимание на чистую и возобновляемую энергию. А что может быть лучшим источником такой энергии, чем Солнце? На данный момент существует множество видов систем по сбору и переработке солнечной энергии, которые работают как отдельно стоящие устройства или целые комплексы. В последние годы вызывает большой интерес возможность интеграции таких систем в архитектуру городов, получая от них желаемую энергии, при этом не отнимая лишнее пространство и не вредя эстетике. К сожалению, внедрение солнечных концентраторов в стекло, используемое для окон, страдает от низкой эффективности и снижения эстетического качества ввиду помутнения стекла. Ученые из Китайского общества оптической инженерии (Пекин, Китай) разработали новый метод внедрения солнечных концентраторов в стекло, который позволяет избежать вышеперечисленных проблем. На чем основывается данный метод, как он работает, и насколько он эффективен? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

В условиях стремительного роста населения и быстрой урбанизации современного общества в городах появляется все больше многоэтажных домов и высотных зданий. Резкий рост плотности населения способствует повышению эффективности производства и кооперации, что сопровождается все более очевидным потреблением ресурсов и энергии. Тепловые и атомные электростанции сталкиваются с проблемами загрязнения окружающей среды и рисками утечки ядерных отходов, в то время как возобновляемые фотоэлектрические, ветро- и гидроэлектростанции должны занимать большие площади и располагаться вблизи соответствующих источников. Централизованное электроснабжение также страдает от высоких потерь при передаче. В связи с этим новые концепции интегрированных в здания фотоэлектрических систем, встраивающих улавливание солнечной энергии в фасады зданий, привлекают большое внимание в контексте создания зданий с «нулевым» энергопотреблением. Стеклянные окна широко применяются в современной архитектуре для обеспечения комфортных условий проживания и работы. Их, как правило, размещают на солнечной стороне зданий для оптимизации естественного освещения и обогрева. Интеграция фотоэлектрических технологий в архитектурное стекло открывает перспективный путь к созданию «зеленых» зданий и устойчивого общества.

Для существующих фотоэлектрических технологий, включая аморфные кремниевые элементы, органические фотоэлектрические элементы, арсенид-галлиевые, сенсибилизированные красителем и перовскитные солнечные элементы, их непрозрачность и хрупкость препятствуют замене архитектурного стекла. Для решения этих проблем были разработаны солнечные концентраторы, которые концентрируют солнечную энергию вбок и затем улавливают ее с помощью фотоэлементов, закрепленных на краях архитектурного стекла. Сообщалось о люминесцентных и рассеивающих типах таких концентраторов.

В первом случае флуоресцентные материалы, такие как органические красители, полимеры, квантовые точки, перовскиты или углеродные квантовые точки, внедряются в стекло, образуя волновод для захвата падающего света. Во втором случае встроенная рассеивающая среда отклоняет часть падающего света внутрь волновода, где он улавливается тонкими фотоэлементами, расположенными по краям стекла.

Несмотря на улучшенную адаптируемость к существующим окнам, такие солнечные концентраторы по-прежнему сталкиваются с несколькими критическими проблемами:

• так как волновод может собирать только тот свет, направление распространения которого превышает критический угол для полного внутреннего отражения (TIR от total internal reflection), всенаправленное флуоресцентное излучение и рассеяние ограничивают эффективность концентрации;

• узкие полосы поглощения и флуоресценции по отношению к солнечному спектру не только снижают эффективность, но и придают стеклу окрашенную прозрачность, что мешает соответствию эстетическим требованиям. В то же время рассеивающий тип имеет врожденную заметную мутность, препятствующую использованию там, где требуется свободный обзор;

• встроенные функциональные слои не могут быть добавлены к существующим окнам, а фотоэлектрические элементы требуются на всех краях архитектурного стекла, что делает стратегию сложной в производстве и неэффективной по стоимости.

Разработка новой технологии, преодолевающей все эти препятствия, является важной задачей. Поляризационная объемная решетка – оптическое устройство, зависящее от круговой поляризации. Она пропускает свет одной круговой поляризации и одновременно однонаправленно дифрагирует противоположную в стеклянную подложку, образуя волновод. Кроме того, она удовлетворяет высоким требованиям к прозрачности и цветопередаче в дисплеях дополненной реальности. Такая пленка может быть легко нанесена на архитектурное стекло, превращая его в дифракционный солнечный концентратор.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают солнечный концентратор дифракционного типа и демонстрируют его, нанося на архитектурное стекло слой специально разработанного холестерического жидкого кристалла (CLC от cholesteric liquid crystal). CLC представляет собой одномерный хиральный фотонный кристалл, который избирательно отражает падающий свет с одинаковой направленностью в фотонной зоне и позволяет остаточному свету передаваться напрямую. Был сформирован стек из ряда CLC-слоев с различным шагом спирали, чтобы расширить фотонную зону на весь видимый спектр. Более того, предварительно было установлено субмикронное латеральное выравнивание, чтобы гарантировать дифракцию всего видимого света и полное внутреннее отражение в широком диапазоне углов. Дифрагированный свет однонаправленно концентрируется к краю архитектурного стекла, соответствующему наклонному направлению брэгговских плоскостей.

При нормальном падении света средний коэффициент пропускания видимого света (AVT от average visible transmission) достигает 64.2% для видимого света. В этих условиях достигается индекс цветопередачи (CRI от color rendering index) 91.3, который остается выше 85.5 при угле обзора ≥ 60°, что идеально соответствует эстетическим стандартам. Благодаря разделению энергии, зависящему от круговой поляризации, до 38.1% энергии нормально падающего лазера с длиной волны 532 нм выходит через рабочий край архитектурного стекла. Моделирование дополнительно демонстрирует оптические характеристики при углах падения ≥ 40°, подтверждая высокую эффективность концентрации энергии в широком диапазоне углов.

Ученые протестировали фотоэлектрические характеристики прототипа диаметром 1 дюйм, который способен напрямую питать вентилятор мощностью 10 мВт на открытом воздухе. Кроме того, пленку CLC можно легко интегрировать в существующее архитектурное стекло, что значительно сокращает количество необходимых фотоэлектрических элементов, предлагая практичный и экономичный подход к созданию интегрированных фотоэлектрических систем с учетом эстетических и экономических соображений.

Результаты исследования

Солнце является основным источником энергии для Земли, поддерживающим существование и развитие человечества. Электромагнитная волна является основным носителем солнечной энергии, распространяясь со скоростью света. Поперечно-волновая природа света индуцирует поляризационно-зависимое взаимодействие с пространственно-периодическими структурами. Солнечный свет изначально неполяризован и может быть эквивалентно разложен на левую и правую круговую поляризацию. CLC представляет собой одномерный хиральный фотонный кристалл. Он селективно отражает падающий круговой поляризованный свет той же полярности в пределах фотонной зоны и напрямую пропускает остаточный свет. Фотонная зона выражается модифицированным уравнением Брэгга:

где Δλ — длина волны Брэгга; n_eff, n_o представляют собой эффективный и обычный показатели преломления жидкого кристалла; P — шаг спирали (0–2π) CLC; а θ и α — угол падения света и угол наклона плоскостей Брэгга CLC соответственно.

Изображение №1

Из уравнения следует, что фотонная зона может быть эффективно расширена до всего видимого диапазона путем укладки ряда слоев CLC с разным P. Чтобы обеспечить покрытие без зазоров в диапазоне 400–750 нм, были численно оптимизированы шаги спирали пятислойной структуры CLC для достижения перекрытия полос отражения. После нанесения такой пленки CLC на архитектурное стекло образуется солнечный концентратор, который можно легко использовать при построении интегрированных фотоэлектрических систем (1a). В этой конструкции при освещении AM 1.5G выбранная круговая поляризация, расположенная в фотонном диапазоне, отражается и переносится к краю стекла посредством полного внутреннего отражения (TIR) (1b). Свет, выходящий с края, улавливается кремниевыми фотоэлектрическими элементами (Si-PV), установленными на торце.

Изображение №2

Для того чтобы CUSC (от colorless and unidirectional solar concentrator, т. е. бесцветный и однонаправленный солнечный концентратор) улавливал как можно больше солнечной энергии, была разработана и изготовлена многослойная CLC-пленка с наклонными плоскостями Брэгга. Для создания субмикронного периодического выравнивания вдоль оси x (2a) использовалась голография с круговой поляризацией (CP от circular polarization). После последовательного нанесения на CLC различных концентраций хирального легирующего вещества и отдельной УФ-полимеризации была получена многослойная CLC-пленка с объективом P. Благодаря направлению периодического выравнивания с субмикронным периодом (Λ) (0–π) формируются наклонные брэгговские плоскости с углом наклона α = sin⁻¹(P/2Λ), возникающие в результате наклона спиральных осей CLC (2a).

Согласно уравнению решетки и уравнению Брэгга, Λ = 460 нм является оптимизированным значением для достижения широкоугольного TIR во всем видимом спектре. Λ определяется по формуле Λ = λ_e/(2 sinβ), где λ_e — длина волны для CP голографии, а 2β — угол между двумя падающими пучками с противоположной круговой поляризацией. Здесь λ_e = 405 нм, 2β = 52.3°. При таких параметрах формируется крупноразмерная равномерная решетка с Λ = 460 нм (2b).

Снимок поперечного сечения многослойной пленки CLC, полученный с помощью СЭМ, показывает наклонную слоистую структуру (2c), что согласуется с трехмерной иллюстрацией на 2a. Толщина пленки составляет 7.5 мкм. Пленку CLC нанесли на коммерческое архитектурное стекло (10 × 10 см, 2d) и нанесли решетки на пять круглых областей диаметром 2.5 см. Из-за дифракции света эти области обладают более низким коэффициентом пропускания по сравнению с областями, не покрытыми решеткой. В частности, благодаря своим широкополосным дифракционным характеристикам они бесцветны и не имеют мутности, что позволяет отчетливо видеть объекты за ними.

Поскольку человеческие глаза наиболее чувствительны к зеленому свету, для характеризации зависящего от круговой поляризации (CP) распределения энергии в CUSC использовался монохроматический свет с длиной волны 532 нм. До 38.1% энергии распространяется внутри архитектурного стекла и в конечном итоге извлекается через одну рабочую грань. Чтобы охарактеризовать поляризационную зависимость устройства, ученые вращали быструю ось четвертьволновой пластины, чтобы изменить падающую поляризацию и соответственно записать интенсивности прошедшего света и света, вышедшего из края стекла. Как показано на 2e, наблюдается ортогональное разделение по круговой поляризации между дифрагированным и прошедшим светом с максимумами, возникающими при 55°/145° и 235°/325° соответственно. Отклонения по сравнению с идеальным нормальным отражением (45°/135° и 225°/315°) объясняются наличием наклонных плоскостей Брэгга.

Далее были охарактеризованы коэффициенты пропускания, зависящие от угла падения (θ), в диапазоне 400–800 нм при −60° ≤ θ ≤ 60° (для волнового вектора в направлении x/-x) (2f). Коэффициент светопропускания (AVT) для нормально падающего белого света достигает 64.2%, тогда как при изменении θ от −60° до 60° значение постепенно уменьшается с 90.7% до 60.5%. Цветовые сдвиги при различных значениях θ обусловлены изменениями фотонных полос, зависящими от угла падения. На 2g показаны координаты цветового пространства CIELAB (a*, b*), соответствующие различным углам падения при фиксированной яркости L* = 90°. Видно, что для большинства углов падения координаты находятся в разумном диапазоне цветового оттенка (−15 < a* < 15 и −15 < b* < 15) для архитектурного стекла. Эффективность может быть улучшена путем наложения большего количества различных P-слоев для дальнейшего расширения фотонной зоны. Таким образом, предлагаемый дифракционный солнечный концентратор подходит для создания архитектурного стекла с высокой прозрачностью и широким углом обзора без окрашивания.

Изображение №3

При нормальном освещении направленным белым светом CUSC асимметрично дифрагирует свет к краю архитектурного стекла со стороны −x. Кроме того, свет пространственно рассеивается из-за дифракции, вызванной короткопериодными решетками (3a). Свойство однонаправленного волновода наглядно подтверждается изображением сверху, представленным в левом нижнем углу 3a. Более того, логотип Нанкинского университета отчетливо виден благодаря высокому коэффициенту пропускания бесцветного CUSC.

Для моделирования CUSC использовалась модель упругого континуума Франка-Озеена. Серия параллельных наклонных плоскостей Брэгга рассчитывается на основе конфигурации многослойной пленки CLC. Как показано на 3b, угол наклона α изменяется от 21° на стороне, прилегающей к стеклу, до 30° на противоположной стороне. Распространение дифрагированного света подчиняется следующему уравнению дифракции:

где n и n_g — показатели преломления воздуха и стекла соответственно; λ — длина волны падающего света; θ и φ — угол падения в воздухе и угол дифракции в стекле (± для волнового вектора в направлении x/-x) соответственно. Многослойный CLC демонстрирует широкополосное CP-селективное брэгговское отражение; отражается только свет RCP в пределах фотонной зоны, а свет, удовлетворяющий условию TIR, однонаправленно распространяется в стеклянном волноводе (3b). Примечательно, что разные длины волн дифрагируются отдельными слоями CLC с разными P. В то время как плоскости Брэгга определяют угол дифракции, ограничение света в конечном итоге определяется условием полного внутреннего отражения, которое является ключевым для распространения в волноводе.

Далее было проведено моделирование дифракции CUSC, зависящей от θ. Как показано на 3c, в диапазоне −60° ≤ θ < θ_t, где θ_t = sin⁻¹(n_g − λ/Λ) и n_g = 1.52, пленка CLC действует как волновая пластинка, а не как решетка. Таким образом, падающий свет зеркально отражается согласно закону n_gsinφ = sinθ. В результате состояние поляризации меняется с изменением толщины пленки. При θ_t ≤ θ ≤ 60° пленка CLC действует как объемная решетка поляризации с наклонными плоскостями Брэгга. Результаты показывают, что CP-селективное отражение удовлетворяет уравнению выше. Условие полного внутреннего отражения выполняется только при |φ| > φ_c = sin⁻¹(1/n_g). То есть, только случаи, расположенные в красной области на 3c, транспортируются по волноводу и затем захватываются на краю стекла. Подробные характеристики однонаправленного волновода смоделированы и представлены на 3d. Центральные длины волн смещаются в красную область при изменении угла θ от −60° до 60°, а широкополосная дифракция проявляется при −20° ≤ θ ≤ 20°. Результаты моделирования согласуются с результатами, представленными на 3c.

Изображение №4

Si-PV-элемент (0.5 × 4 см) установлен на краю выхода света, образуя устройство CUSC-PV (4 × 4 × 0.5 см с активной областью диаметром 1 дюйм), которое можно рассматривать как простой прототип окна CUSC-PV. Избыточная площадь элемента закрыта черной лентой, чтобы предотвратить прямое попадание солнечного света на фотоэлемент. Устройство приводило в действие вентилятор мощностью 10 мВт под воздействием солнечного света в 13:00 1 июля. После того как солнечный свет был экранирован, вентилятор немедленно остановился (4a). Учитывая, что активная область представляет собой всего лишь круглую решетку CLC размером 1 дюйм, это наглядно демонстрирует высокую эффективность преобразования энергии CUSC-PV-элемента. Ученые систематически характеризовали производительность устройства CUSC-PV под AM-освещением 1.5G. Оптическая эффективность (η) и эффективность преобразования мощности (PCE от power conversion efficiency) рассчитываются отдельно в соответствии со следующими уравнениями:

где I_SC и I′_SC — токи короткого замыкания CUSC-PV и фотоэлемента при освещении AM 1.5G, A и A′ — площади CUSC и его светоиспускающего края соответственно; J_SC = I_SC/A — плотность тока; V_OC — напряжение холостого хода; FF — коэффициент заполнения CUSC-PV; P_in — интенсивность облучения.

На 4b представлены J = 7/0 ± 0/2 мА/см², V_OC = 0.65 ± 0.01 В и FF = 80 ± 1%. Соответственно, η = 18.1 ± 0.1% и PCE = 3.7 ± 0.1%. Измеренная позиционно-усредненная внешняя квантовая эффективность (EQE от external quantum efficiency) согласуется с фотонной зоной CUSC-PV (4c), а интегральная плотность тока короткого замыкания (J_SC^int) хорошо совпадает с J_SC, извлеченным из характеристик J-V, представленных на 4b.

Ученые протестировали изменяющийся во времени PCE элемента CUSC-PV и соответствующую освещенность на открытом воздухе в Нанкине, Китай, с 8:00 до 17:00 1 июля 2024 года. PCE изменялся с 3.1% до 3.7% (максимум) и до 2.7% при освещенности солнечным светом, варьирующейся от 82 до 129 кЛк и до 69 кЛк (4d), сохраняя высокое значение в течение всего дня. Также была проверена долгосрочная стабильность. В общей сложности 95.4% пикового значения PCE сохранялось даже после 1500 часов освещения белым светодиодом в условиях окружающей среды (25 °C, влажность 60%) (4e). В практических условиях солнечный свет сначала проходит через архитектурное стекло, которое эффективно блокирует вредное УФ-излучение, защищая пленку CLC от старения и пожелтения. CLC может быть покрыт полимерной пленкой и прикреплен к внутренней стороне архитектурного стекла вместо этого для механической защиты, что обеспечивает длительный срок службы.

На 4f представлена диаграмма сравнения характеристик SSC, LSC и CUSC. Очевидно, что CUSC превосходит два других по всем показателям. Благодаря уникальному бесцветному и однонаправленному волноводу CUSC, демонстрируются превосходные CRI (91.3) и прозрачность, а также более высокий AVT (64.2%) и соотношение концентрации. Многослойные CLC могут быть легко наноситься на стекло, и для установки фотоэлектрического элемента требуется модифицировать только выходной край света (сокращение площади PV-ячейки на 75%). Эти преимущества обеспечивают бесшовную интеграцию с существующими архитектурными окнами со значительной экономической эффективностью.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые представили инновационное решение в области солнечной энергетики — прозрачное покрытие на основе холестерических жидких кристаллов (CLC от cholesteric liquid crystal), которое превращает обычные окна в эффективные генераторы чистой энергии без ущерба для их внешнего вида. Разработанный дифракционный солнечный концентратор (CUSC от colorless and unidirectional solar concentrator) направляет поляризованный солнечный свет к краям окна, где установлены фотоэлектрические ячейки, что позволяет значительно повысить эффективность использования солнечной энергии.

Практические испытания показали, что даже небольшой прототип устройства (1 дюйм в диаметре) способен напрямую питать вентилятор мощностью 10 мВт при солнечном освещении. А результаты моделирования указывают на то, что окно шириной 2 метра может концентрировать солнечный свет в 50 раз, что позволяет сократить площадь фотоэлектрических ячеек на 75%. Данная разработка открывает новые возможности для интеграции солнечных технологий в городской ландшафт без ущерба для внешнего вида зданий и окружающей среды.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?