ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ПОГЛОТИТЕЛЬ СВЕТА НА ОСНОВЕ ТУГОПЛАВКОЙ МЕТАПОВЕРХНОСТИ ДЛЯ ТЕРМОФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИХ БАТАРЕЙ.
|
ВВЕДЕНИЕ 3
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 7
1.1. Солнечные элементы 7
1.1.1. Устройство и работа солнечных батарей 7
1.1.2. Солнечный элемент в отсутствие освещения 9
1.1.3. Солнечный элемент под воздействием освещения 10
1.1.4. Вольтамперные характеристики солнечных элементов 11
1.1.5. Характеристики реальных солнечных элементов 16
1.1.6. Факторы, влияющие на КПД солнечного элемента 19
1.2. Метаповерхность 22
1.2.1. Основные свойства 22
1.2.2. Плазмонный резонанс 24
1.2.3. Плазмонные антены 25
2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 28
2.1. Модель метаматериала 28
2.3. Метод исследования 32
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 36
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 38
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 7
1.1. Солнечные элементы 7
1.1.1. Устройство и работа солнечных батарей 7
1.1.2. Солнечный элемент в отсутствие освещения 9
1.1.3. Солнечный элемент под воздействием освещения 10
1.1.4. Вольтамперные характеристики солнечных элементов 11
1.1.5. Характеристики реальных солнечных элементов 16
1.1.6. Факторы, влияющие на КПД солнечного элемента 19
1.2. Метаповерхность 22
1.2.1. Основные свойства 22
1.2.2. Плазмонный резонанс 24
1.2.3. Плазмонные антены 25
2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 28
2.1. Модель метаматериала 28
2.3. Метод исследования 32
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 36
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 38
Солнечное излучение является неисчерпаемым и экологичным источником энергии, поэтому в последние десятилетия в науке и промышленности разных стран активно развивается направление, связанное с разработкой и производством солнечных батарей - элементов, превращающих энергию фотонов в электроэнергию.
На данный момент одним из самых перспективных и развиваемых методов получения электроэнергии является её получение путем преобразования солнечной энергии в электрическую. Солнце, как практически неисчерпаемый источник энергии, может обеспечить растущие потребности в электричестве в течение следующих тысячелетий. За один час от Солнца на Землю поступает больше энергии, чем человечество потребляет за один год.
Проблема поиска альтернативных источников энергии приобретает всё большую значимость в связи с истощением мировых запасов традиционного топлива. Разработка высокоэффективных солнечных батарей, напрямую преобразующих свет от солнца в электричество, является одной из ключевых задач на пути перехода к регенеративной энергетике.
На сегодняшний день, наиболее распространенными являются солнечные батареи на основе неорганических материалов (кристаллический и аморфный кремний, CdTe , CuInGeSe, GaAs), демонстрируя относительно высокую производительность в 15-25% [1]. Рекордные на данный момент значения эффективности светопреобразования в 46% получены в 2014 году на соединении GaInP/GaAs//GaInAsP/GaInAs [2]. Однако проблема неорганических батарей заключается в их токсичности и в том, что их стоимость высока, что значительно ограничивает их полномасштабное внедрение.
Существенный прорыв в области создания альтернативных материалов фотовольтаики связан с открытием класса органических полупроводников.
Использование органических материалов в качестве активной среды солнечных батарей позволит значительно снизить стоимость вырабатываемой электроэнергии. Этому способствует простая технология производства и малые затраты материалов. Тонкопленочные полимерные системы могут наноситься на гибкие подложки в больших объемах рулонными методами печати, напыления, либо вакуумной сублимации [3,4].
В то же время, химический синтез несет в себе огромный потенциал в создании новых соединений, что позволяет осуществлять дизайн оптических и электронных свойств органических материалов [5,6]. Это открывает широкие перспективы в увеличении эффективности органических фотоэлементов [7,8]. За последние 20 лет достигнут значительный прогресс в органической фотовольтаике, и к настоящему времени продемонстрированы солнечные батареи с эффективностью более 13% [9]. Значительные усилия были направлены на увеличение стабильности и срока службы материалов органической электроники [10]. Также стоить отметить растущий интерес к фотоэлементам на основе перовскитов [11] и квантовых точек [12], которые вместе с органическими солнечными батареями (ОСБ) формируют новое третье поколение фотовольтаических устройств.
Альтернативным путем к эффективному преобразованию длинноволновой части солнечного излучения является использование термоэлектричекого преобразования (ТЭП). Термоэлектрический элемент представляет собой устройство, преобразующее тепловую энергию в электричество, в основе чего лежит эффект Зеебека. Рабочий принцип и конструкция термоэлектрического генератора описаны в работах [13, 14]. Таким образом, в комбинированных ТЭП/ОСБ системах излучение, которое не поглотилось в активном слое, конвертируется в тепло, а затем в электричество. Для этих целей вводится дополнительный поглощающий слой, который служит нагревателем для термоэлектрогенератора. Эффективность ТЭП определяется разностью температур между нагревателем и холодильником, а также свойствами материалов, образующих термопару [15].
Основными требованиями, предъявляемыми и материалам ТЭП, являются высокая электропроводимость и низкая теплопроводность. Наиболее часто при построении ТЭП используется теллурид висмута Bi2Te3 [16]. Так же большое внимание привлекают наноструктурированные, одномерные и двумерные материалы, в связи с их экстраординарными термоэлектрическими характеристиками [17-18]. Для достижения оптимальных температур, и как следствие высокой эффективности, нагревательный элемент должен обладать свойствами идеального поглотителя [19]. Данное требование может быть успешно реализовано благодаря использованию селективных поглотителей на основе плазмонных метаповерхностей [20]. Последние исследования показали, что добавление ТЭП модуля позволяет увеличить производительность фотовольтаических элементов больше чем на 20% относительно уединенного фотоэлемента. Таким образом, комбинируя органические солнечные батареи с плазмонной метаповерхностью, можно создать эффективные солнечные батареи, преобразующие энергию солнечных лучей в электрическую, как путем поглощения энергии фотонов, так и путем преобразования тепла в электричество.
Метаповерхности начали активно изучать не так давно. На рисунке 1 можно увидеть количество публикуемых в год работ, посвященных этой теме. Однако большинство этих работ посвящено таким свойства метаповерхностей, как отрицательное значение диэлектрической и магнитной проницаемостей, отрицательный коэффициент преломления света и т.д. Но метаповерхности также изучают и в качестве идеального поглотителя.
На данный момент одним из самых перспективных и развиваемых методов получения электроэнергии является её получение путем преобразования солнечной энергии в электрическую. Солнце, как практически неисчерпаемый источник энергии, может обеспечить растущие потребности в электричестве в течение следующих тысячелетий. За один час от Солнца на Землю поступает больше энергии, чем человечество потребляет за один год.
Проблема поиска альтернативных источников энергии приобретает всё большую значимость в связи с истощением мировых запасов традиционного топлива. Разработка высокоэффективных солнечных батарей, напрямую преобразующих свет от солнца в электричество, является одной из ключевых задач на пути перехода к регенеративной энергетике.
На сегодняшний день, наиболее распространенными являются солнечные батареи на основе неорганических материалов (кристаллический и аморфный кремний, CdTe , CuInGeSe, GaAs), демонстрируя относительно высокую производительность в 15-25% [1]. Рекордные на данный момент значения эффективности светопреобразования в 46% получены в 2014 году на соединении GaInP/GaAs//GaInAsP/GaInAs [2]. Однако проблема неорганических батарей заключается в их токсичности и в том, что их стоимость высока, что значительно ограничивает их полномасштабное внедрение.
Существенный прорыв в области создания альтернативных материалов фотовольтаики связан с открытием класса органических полупроводников.
Использование органических материалов в качестве активной среды солнечных батарей позволит значительно снизить стоимость вырабатываемой электроэнергии. Этому способствует простая технология производства и малые затраты материалов. Тонкопленочные полимерные системы могут наноситься на гибкие подложки в больших объемах рулонными методами печати, напыления, либо вакуумной сублимации [3,4].
В то же время, химический синтез несет в себе огромный потенциал в создании новых соединений, что позволяет осуществлять дизайн оптических и электронных свойств органических материалов [5,6]. Это открывает широкие перспективы в увеличении эффективности органических фотоэлементов [7,8]. За последние 20 лет достигнут значительный прогресс в органической фотовольтаике, и к настоящему времени продемонстрированы солнечные батареи с эффективностью более 13% [9]. Значительные усилия были направлены на увеличение стабильности и срока службы материалов органической электроники [10]. Также стоить отметить растущий интерес к фотоэлементам на основе перовскитов [11] и квантовых точек [12], которые вместе с органическими солнечными батареями (ОСБ) формируют новое третье поколение фотовольтаических устройств.
Альтернативным путем к эффективному преобразованию длинноволновой части солнечного излучения является использование термоэлектричекого преобразования (ТЭП). Термоэлектрический элемент представляет собой устройство, преобразующее тепловую энергию в электричество, в основе чего лежит эффект Зеебека. Рабочий принцип и конструкция термоэлектрического генератора описаны в работах [13, 14]. Таким образом, в комбинированных ТЭП/ОСБ системах излучение, которое не поглотилось в активном слое, конвертируется в тепло, а затем в электричество. Для этих целей вводится дополнительный поглощающий слой, который служит нагревателем для термоэлектрогенератора. Эффективность ТЭП определяется разностью температур между нагревателем и холодильником, а также свойствами материалов, образующих термопару [15].
Основными требованиями, предъявляемыми и материалам ТЭП, являются высокая электропроводимость и низкая теплопроводность. Наиболее часто при построении ТЭП используется теллурид висмута Bi2Te3 [16]. Так же большое внимание привлекают наноструктурированные, одномерные и двумерные материалы, в связи с их экстраординарными термоэлектрическими характеристиками [17-18]. Для достижения оптимальных температур, и как следствие высокой эффективности, нагревательный элемент должен обладать свойствами идеального поглотителя [19]. Данное требование может быть успешно реализовано благодаря использованию селективных поглотителей на основе плазмонных метаповерхностей [20]. Последние исследования показали, что добавление ТЭП модуля позволяет увеличить производительность фотовольтаических элементов больше чем на 20% относительно уединенного фотоэлемента. Таким образом, комбинируя органические солнечные батареи с плазмонной метаповерхностью, можно создать эффективные солнечные батареи, преобразующие энергию солнечных лучей в электрическую, как путем поглощения энергии фотонов, так и путем преобразования тепла в электричество.
Метаповерхности начали активно изучать не так давно. На рисунке 1 можно увидеть количество публикуемых в год работ, посвященных этой теме. Однако большинство этих работ посвящено таким свойства метаповерхностей, как отрицательное значение диэлектрической и магнитной проницаемостей, отрицательный коэффициент преломления света и т.д. Но метаповерхности также изучают и в качестве идеального поглотителя.
Результатами данной работы являются:
• Создан прототип нелинейного оптического поглотителя на основе субволновой планарной антенны квадратной формы из нитрида титана.
• Получен спектр поглощения метаповерхности из нитрида титана методом численного моделирования отражения от планарных TiN/TiON антенн с использованием метода конечных разностей во временной области.
На основе этих результатов сделан выводы:
• Полученные модельные данные свидетельствуют о том, что метаповерхность, состоящая их планарных TiN/TiON антенн, может использоваться в термофотовольтаических батареях в качестве широкополосного поглотителя солнечного света.
• В системе из органической солнечной батареи и термоэлектрического элемента излучение, которое не поглотилось в активном слое, конвертируется в тепло, а затем в электричество. И для этой цели метаповерхность TiN может быть использована как дополнительный поглощающий слой, служащий нагревателем для термоэлектронагревателя. Благодаря такой системе можно увеличить эффективность термофотоэлектрического преобразования с 13% до 18%.
• Метаповерхность, состоящая из TiON антенн, обеспечивает поглощение солнечной энергии, которое превосходит мировые аналоги на 8%, благодаря чему она может быть использована для высокоэффективного поглощения в термофотовольтаике.
• На основе этих данных будут сформулированы практические рекомендации для интеграции органической солнечной батареи и термоэлектрической ячейки с целью повышения результирующей эффективности преобразования солнечной энергии в электрической ток, составляющей не менее 13%.
• Создан прототип нелинейного оптического поглотителя на основе субволновой планарной антенны квадратной формы из нитрида титана.
• Получен спектр поглощения метаповерхности из нитрида титана методом численного моделирования отражения от планарных TiN/TiON антенн с использованием метода конечных разностей во временной области.
На основе этих результатов сделан выводы:
• Полученные модельные данные свидетельствуют о том, что метаповерхность, состоящая их планарных TiN/TiON антенн, может использоваться в термофотовольтаических батареях в качестве широкополосного поглотителя солнечного света.
• В системе из органической солнечной батареи и термоэлектрического элемента излучение, которое не поглотилось в активном слое, конвертируется в тепло, а затем в электричество. И для этой цели метаповерхность TiN может быть использована как дополнительный поглощающий слой, служащий нагревателем для термоэлектронагревателя. Благодаря такой системе можно увеличить эффективность термофотоэлектрического преобразования с 13% до 18%.
• Метаповерхность, состоящая из TiON антенн, обеспечивает поглощение солнечной энергии, которое превосходит мировые аналоги на 8%, благодаря чему она может быть использована для высокоэффективного поглощения в термофотовольтаике.
• На основе этих данных будут сформулированы практические рекомендации для интеграции органической солнечной батареи и термоэлектрической ячейки с целью повышения результирующей эффективности преобразования солнечной энергии в электрической ток, составляющей не менее 13%.