Ученые Уральского федерального университета проводят фундаментальные научные исследования, которые в перспективе позволят совершить мощный скачок в сфере солнечной энергетики. Это станет возможным благодаря созданию новых материалов с заданными свойствами для устройств преобразования излучения ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов.
Юлия Кузнецова и Анатолий Зацепин. (Фото из личного архива Анатолия Зацепина).
Исследования проводит научная группа в лаборатории физико-технологического института УрФУ «Физика функциональных материалов углеродной микро- и оптоэлектроники» под руководством Анатолия Зацепина. По его словам, проводимые работы позволят на практике очень сильно изменить возможности солнечной энергетики. В этом поможет использование материалов на основе редкоземельных элементов. Направленная модификация их оптических свойств значительно улучшает КПД преобразования солнечной энергии благодаря ряду принципиально новых эффектов, обнаруженных учеными.
«Мы установили, что собственные дефекты кристаллической решетки наночастиц Gd2O3 (нерегулярные катионы с нарушенной кислородной координацией) способны эффективно поглощать УФ-излучение и передавать энергию возбуждения ионам РЗЭ, люминесцирующим в видимой области спектра, — поясняет Анатолий Зацепин. — На основе изучения закономерностей и установления механизма энергетического транспорта мы реализовали новый канал преобразования солнечного излучения, характеризующийся повышенной квантовой эффективностью. Среди последних результатов — обнаружен эффект так называемого „Гигантского фононного размягчения“, проявляющийся при введении малых добавок редкоземельных ионов в структуру фотонных наночастиц».
Именно благодаря этому открывается дополнительная возможность снижения безызлучательных потерь и увеличения общей эффективности конверсии УФ-излучения.
На основе полученных данных разработан прототип модифицированной солнечной ячейки, содержащей конверсионный слой из наночастиц редкоземельных оксидов. Такая конструкция солнечной ячейки позволит использовать дополнительную часть солнечного спектра в УФ-области, что, по предварительным данным, обеспечит увеличение эффективности преобразования более чем на 20%.
«На сегодняшний день эффективность промышленных кремниевых солнечных батарей не превышает 15%, что существенно ограничивает их повсеместное использование, — отмечает Анатолий Зацепин. — Наши исследования показывают, что этот показатель можно довести до 25–30 %. Отдельные эксперименты говорят о том, что этот показатель, в принципе, может достигать еще большей величины, но это требует дополнительной детальной проработки. Дальнейшее развитие исследований демонстрирует явные перспективы глобального прорыва в сфере альтернативной энергетики и создания нового поколения высокоэффективных солнечных батарей. Можно надеяться, что это приведет к тому, что солнечная энергетика с каждым годом будет все сильнее увеличивать свою долю рынка, вытесняя традиционные виды энергетики».
Результаты исследований научной группы получили высокую оценку в международном сообществе. На престижном конгрессе по современным материалам, прошедшем в Майами (США), Анатолий Зацепин был удостоен медали и специального сертификата. Работающая под его руководством младший научный сотрудник Юлия Кузнецова — единственная из России получила европейскую премию «Young Scientist Award — за выдающиеся результаты и их научную значимость» на съезде Европейского общества исследования материалов (EMRS–2018) в Страсбурге (Франция).
Научная группа проекта под руководством Анатолия Зацепина войдет состав научно-образовательного центра «Передовые промышленные технологии», создаваемого в Уральском регионе в рамках национального проекта «Наука».
Ученые Уральского федерального университета проводят фундаментальные научные исследования, которые в перспективе позволят совершить мощный скачок в сфере солнечной энергетики. Это станет возможным благодаря созданию новых материалов с заданными свойствами для устройств преобразования излучения ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов.
Исследования проводит научная группа в лаборатории физико-технологического института УрФУ «Физика функциональных материалов углеродной микро- и оптоэлектроники» под руководством Анатолия Зацепина. По его словам, проводимые работы позволят на практике очень сильно изменить возможности солнечной энергетики. В этом поможет использование материалов на основе редкоземельных элементов. Направленная модификация их оптических свойств значительно улучшает КПД преобразования солнечной энергии благодаря ряду принципиально новых эффектов, обнаруженных учеными.
«Мы установили, что собственные дефекты кристаллической решетки наночастиц Gd2O3 (нерегулярные катионы с нарушенной кислородной координацией) способны эффективно поглощать УФ-излучение и передавать энергию возбуждения ионам РЗЭ, люминесцирующим в видимой области спектра, — поясняет Анатолий Зацепин. — На основе изучения закономерностей и установления механизма энергетического транспорта мы реализовали новый канал преобразования солнечного излучения, характеризующийся повышенной квантовой эффективностью. Среди последних результатов — обнаружен эффект так называемого „Гигантского фононного размягчения“, проявляющийся при введении малых добавок редкоземельных ионов в структуру фотонных наночастиц».
Именно благодаря этому открывается дополнительная возможность снижения безызлучательных потерь и увеличения общей эффективности конверсии УФ-излучения.
На основе полученных данных разработан прототип модифицированной солнечной ячейки, содержащей конверсионный слой из наночастиц редкоземельных оксидов. Такая конструкция солнечной ячейки позволит использовать дополнительную часть солнечного спектра в УФ-области, что, по предварительным данным, обеспечит увеличение эффективности преобразования более чем на 20%.
«На сегодняшний день эффективность промышленных кремниевых солнечных батарей не превышает 15%, что существенно ограничивает их повсеместное использование, — отмечает Анатолий Зацепин. — Наши исследования показывают, что этот показатель можно довести до 25–30 %. Отдельные эксперименты говорят о том, что этот показатель, в принципе, может достигать еще большей величины, но это требует дополнительной детальной проработки. Дальнейшее развитие исследований демонстрирует явные перспективы глобального прорыва в сфере альтернативной энергетики и создания нового поколения высокоэффективных солнечных батарей. Можно надеяться, что это приведет к тому, что солнечная энергетика с каждым годом будет все сильнее увеличивать свою долю рынка, вытесняя традиционные виды энергетики».
Результаты исследований научной группы получили высокую оценку в международном сообществе. На престижном конгрессе по современным материалам, прошедшем в Майами (США), Анатолий Зацепин был удостоен медали и специального сертификата. Работающая под его руководством младший научный сотрудник Юлия Кузнецова — единственная из России получила европейскую премию «Young Scientist Award — за выдающиеся результаты и их научную значимость» на съезде Европейского общества исследования материалов (EMRS–2018) в Страсбурге (Франция).
Научная группа проекта под руководством Анатолия Зацепина войдет состав научно-образовательного центра «Передовые промышленные технологии», создаваемого в Уральском регионе в рамках национального проекта «Наука».
urfu.ru