О тонких и гибких солнечных батареях за последние годы нам приходилось слышать не раз. Красота новой разработки состоит в том, что для преобразования света в ток здесь использован не фотоэлектрический эффект, а совсем другой процесс.

Кроме того, эта панель обещает оказаться самой дешевой в производстве из всех ранее созданных и при этом весьма эффективной.

Исследователи из национальной лаборатории Айдахо в сотрудничестве со специалистами из американской компании MicroContinuum и университета Миссури создали удивительный прототип солнечной батареи, за которую получили в прошлом году престижную премию Nano 50.

В лист 50 лучших инноваций года в области нанотехнологий вошли решетки из наноантенн, отпечатанные на тонкой и гибкой подложке.

Надо сказать, что различные проводящие «узоры» нано- и микрометрового размера на подложке из изолятора люди научились воспроизводить давно. Однако новизна подхода ученых заключается в том, что они намерены при помощи таких хитроумных «завитков» получать электричество.

О том, что для электромагнитных волн видимого диапазона можно строить антенны наподобие радиоантенн (только в соответствующем масштабе), ученые узнали не вчера. Исследователи из INL повторили аналогичный трюк для инфракрасного излучения.

Экспериментаторы пишут, что каждая такая спираль имеет поперечник в 1/25 диаметра человеческого волоса (то есть получается, что диаметр антенны составляет порядка 2‑4 микрометра). Это сопоставимо с длинами волн инфракрасной части спектра.

Падение ИК-лучей на такую спираль наводит в ней напряжение. Авторы проекта говорят, что сама идея получения тока от света не за счет фотоэффекта, а по принципу металлической антенны не нова. Загвоздка в том, как реализовать этот принцип на практике.

Это непросто. К примеру, огромное количество антенн, плотно упакованных на подложке, при приеме волн создают поля, влияющие на соседние антенны и вообще – на материалы устройства.

Чтобы понять, как будет работать большая пленка с «армией» антенн на ней, ученые разработали компьютерные модели, предсказывающие свойства отдельных спиралей и также рассчитывающие резонансные процессы в сложной системе из миллиардов таких элементов. Сейчас, меняя в компьютере геометрию антенн и их материал, американские экспериментаторы подбирают самые оптимальные параметры батареи для «сбора солнечного урожая».

Еще надо отметить, что напряжение в каждой такой антенне – переменное и его частота очень велика. Как преобразовать такое напряжение в постоянное – большой вопрос. Физики еще думают над различными способами решения данной проблемы, например над возможностью одновременной печати рядом с наноантеннами миллионов же микроскопических конденсаторов и специальных «высокоскоростных» диодов.

И пусть найти хороший способ преобразования переменного тока будет непросто, зато, по оценке INL, каждая наноантенна может обращать в электричество целых 80 процентов доступной ей световой энергии.

А ведь преимущество новой разработки перед классическими солнечными батареями одним КПД не ограничивается.

Во-первых, утверждают авторы исследования, такая батарея сможет выдавать ток даже ночью.

Речь идет не о сборе света звезд или Луны, а об утилизации других волн. Это ИК-лучи, которые производит ночью земля, а также здания, асфальтовые дороги и площади, нагретые за день солнечными лучами.

Как поясняют разработчики в пресс-релизе лаборатории, в течение нескольких часов после захода Солнца земля выдает приличное количество энергии в виде инфракрасного излучения. Это и позволяет продлить работу новых батарей куда дольше светового дня.

Ну а во‑вторых, пленка с наноантеннами гораздо дешевле классических солнечных батарей.

Ученые также отмечают, что обычно изделия, созданные с применением нанотехнологий, обладают поперечником в считанные сантиметры. А для своего «поля наноантенн» его изобретатели разработали специальную технологию, позволяющую выпускать изделия (полимерную пленку со столь сложным по рисунку нанопокрытием) метрового масштаба.

Для создания опытного образца такой экзотической солнечной батареи новаторы из INL воспользовались полиэтиленовым мешком, в котором в лабораторию привезли пачку журналов. Эта пленка оказалась как раз подходящей толщины.

Так что в качестве основы для новых панелей можно применять вторсырье или просто недорогую пленку, пусть и новую. Что до металла, то его расход ничтожен – толщина узорного проводящего покрытия в новой батарее составляет всего тысячу атомов.

Изобретатели панели считают, что в будущем на гибкой пленке можно будет печатать сразу несколько типов преобразователей. Причем с двух сторон. Таким образом, солнечные батареи будущего смогут преобразовывать в ток широкий спектр излучения, как идущего от Солнца напрямую, так и отраженного от земли, а еще и излучение, выдаваемое грунтом и асфальтом ночью.

Не первый раз исследователи пробуют поднять КПД превращения солнечного света в электричество и снизить стоимость солнечной энергии, придумывая экзотические варианты генераторов.

Сами ученые из INL утверждают, что им потребуется всего несколько лет для того, чтобы довести идею, заложенную в технологии ИК-наноантенн, до промышленной реализации и вывода на рынок.