Нирвана для солнечных батарей
Борис Троицкий: Технологии просветления оптики для солнечных батарей нужно создавать самим. Мы тщательно изучаем научную и патентную литературу, но точного описания, как всё делается, найти невозможно
Стремление к просветлению - путь не только буддистских монахов, но и учёных, занятых в сфере солнечной энергетики. Правда, если религиозные деятели движутся к собственной нирване, служители науки стараются наделить повышенными просветляющими свойствами оптику для солнечных батарей. Такую «высшую цель» поставила перед собой и команда исследователей из Института металлоорганической химии им. Г. А. Разуваева РАН (Нижний Новгород).
Оптика для солнечных батарей нуждается в просветлении, то есть приобретении новых свойств, сводящих к нулю коэффициент отражения солнечного света, что в итоге значительно повышает КПД батарей, а значит, и делает доступнее солнечную энергию. Наука уже нашла путь к такому просветлению - посредством нанесения на стёкла тончайших покрытий. Это направление интенсивно развивалось с 30-х годов XX века, в том числе и в СССР, но тогда упор делали на технологию нанесения многослойных покрытий в вакууме, что было сложно и дорого. В наше время, когда стали очевидны потребности планеты в развитии альтернативной энергетики, учёные начали совершенствовать прежние наработки. Так, вместо многослойных покрытий появились однослойные, имеющие очень низкий коэффициент преломления света, благодаря чему в определённой области солнечного спектра через стекло может проходить 100 % солнечной энергии. По своим свойствам этот один слой заменяет просветляющее покрытие из нескольких наноплёнок в старой вакуумной технологии, а способ его нанесения значительно дешевле. Впервые данный подход был реализован в Германии.
Однако эту технологию, как особо ценную и прорывную, держат за семью замками.
Группа исследователей из Института металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева РАН поставила цель найти свой собственный путь в решении аналогичной задачи, и создать отечественный рецепт производства оптики для солнечных батарей с повышенными просветляющими свойствами.
«Такие технологии нужно создавать самим, - замечает по этому поводу участник проекта, профессор Борис Троицкий. - Мы тщательно изучаем научную и патентную литературу, но точного описания, как всё делается, найти невозможно. Кроме патентов много «ноу-хау» и много путей, которые ведут в никуда. Возможно, разработчики так делают специально, чтобы дольше сохранить своё лидерство».
В Институте металлоорганической химии исследователи пришли к выводу, что главным ингредиентом приготовления однослойных плёночных покрытий станет золь-композиция, состоящая из полых и сплошных наночастиц диоксида кремния. Это коллоидный раствор, в который на определённое время будут опускать и поднимать обратно с заданной скоростью силикатные стёкла. После «купания» эти стёкла отправят в печь на «запекание» при определённой температуре, благодаря чему осаждённое на них нанопористое покрытие из диоксида кремния станет твёрдым. Собственно, в этом и состоит рецепт нижегородских учёных получения просветляющих плёнок для оптики. Его реализовать значительно проще и дешевле, чем энергоёмкую вакуумную технологию, предполагающую ювелирные работы с каждым отдельным слоем покрытия.
Самое сложное в этом рецепте, по мнению его авторов, - научиться создавать полые, то есть содержащие пустоты, наночастицы диоксида кремния. Именно эта особенность частиц обеспечивает выпекаемым плёнкам крайне низкий показатель преломления солнечного света.
«До недавнего времени материалов с такими свойствами просто не существовало, - поясняет Борис Троицкий. - Лучшее, что мы имели, - это тефлон, или фторированный углеводород с показателем преломления 1,33. Но мы же хотим добиться нулевого отражения солнечного света, поэтому нам нужно создавать плёнки с более низким показателем преломления - не выше 1,23. Это можно сделать как раз с помощью полых наночастиц. У них внутри воздух, который, как известно, имеет самый низкий показатель преломления, равный единице».
Стекло в процессе обработки. Если внимательно присмотреться, на нем можно разглядеть границу просветленной и непросветленной областей
К настоящему времени исследователи научились получать просветляющие покрытия из золь-композиций диоксида кремния, содержащих различные органические добавки. Силикатное стекло с этими покрытиями пропускает в максимуме 99.0-99.9 % падающего света (без покрытия стекло пропускает в максимуме 91.0-92 % света), но данные покрытия имеют неудовлетворительную для практического использования твёрдость.
Сейчас учёные разрабатывают экономически целесообразную методику получения полых наночастиц диоксида кремния для создания золь-композиций, из которых можно будет получать просветляющие покрытия с отличными свойствами как по светопропусканию, так и по твёрдости.
«Сначала получаем наночастицы типа «ядро-оболочка», потом удаляем из них ядра и таким образом создаём полые наночастицы. К концу этого года данную задачу должны окончательно решить», - отмечает Борис Троицкий.
На правой части этого стекла - просветляющее покрытие из золь-композиций диоксида кремния, содержащих различные органические добавки. На левой части покрытия нет
Далее в планах - разработка технологии нанесения просветляющих покрытий на оптические полимеры, которые в будущем во многих практических приложениях должны прийти на смену силикатным стёклам. Недостаток этих полимеров в том, что они легко царапаются и быстро мутнеют, но если на них нанести керамическую нанопористую плёнку с просветляющими свойствами, то получится материал с отличными оптическими характеристиками и хорошей абразивостойкостью. Специалисты прогнозируют рост спроса на такие материалы в будущем.
«Полимеры, во-первых, в полтора раза легче, чем стекло, а во-вторых, обладают значительно большей ударной прочностью. То есть если вы бросите камень в силикатное стекло, то, конечно, его разобьёте, а если в стекло из поликарбоната, то камень от него отскочит, и на этом вся трагедия закончится. Это очень важно для автомобилей или летательных аппаратов», - приводит свои оценки Борис Троицкий.
Индустриальным партнёром института в проекте выступает «Стеклозавод Ворга», который выразил готовность внедрять технологию в производство. Авторы проекта рассчитывают, что конечный продукт - просветлённые силикатные стекла заинтересуют производителей солнечных батарей, а полимеры - представителей авиа- и автомобилестроения.
Проект «Разработка новых нанопористых покрытий на стекло, обладающих высокой просветляющей способностью и повышенной твердостью» поддержан ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014-2020 годы». Руководитель Проекта - заместитель директора ИМХ РАН член-корреспондент РАН Федюшкин Игорь Леонидович.
Быкова Наталья
http://www.strf.ru/material.aspx?CatalogId=221&d_no=96217#.VSmomGe-BR0