Солнечная энергия, признанная символом устойчивого развития, переживает революционные преобразования благодаря внедрению прозрачных солнечных элементов (TSC). Они преодолевают ограничения традиционных панелей, предоставляя новые возможности для интеграции солнечных технологий в повседневную жизнь.

Прозрачные солнечные элементы, особенно последние инновации — почти невидимые солнечные элементы (NISC), сочетают высокую прозрачность с эффективностью преобразования энергии. Эти элементы используют уникальные свойства двумерных (2D) материалов, таких как дихалькогениды переходных металлов (TMD), например, дисульфид вольфрама (WS₂).

Эти материалы обеспечивают:

• Сверхтонкость, что делает их практически невидимыми для человеческого глаза;
• Высокую способность поглощения света;
• Регулируемые оптические свойства, что позволяет эффективно преобразовывать свет в энергию.

Ключевым технологическим элементом является взаимодействие прозрачного проводника, такого как оксид индия и олова (ITO), с фотоактивным материалом. Инновационная архитектура, разработанная командой Университета Тохоку под руководством Тошиаки Като, улучшила контактные барьеры между материалами, что позволило достичь прозрачности до 79% при плотности мощности 13 мВт/см².

«Наш подход повысил эффективность преобразования энергии более чем в 1000 раз по сравнению с устройствами, использующими стандартные электроды ITO», — пояснил Като. 

Технические характеристики

• Средняя видимая прозрачность (AVT): >70%, достигая 79% в лучших образцах.
• Плотность мощности: 13 мВт/см².
• Размер прототипа: солнечный элемент площадью 1 см² с производительностью 420 пиковатт.
• Материалы: WS₂, ITO с медным покрытием и оксидом вольфрама.

Эти характеристики сопоставимы с традиционными непрозрачными панелями, но значительно превосходят их в вопросах эстетики и универсальности применения.

Перспективы применения

• Архитектура: NISC можно использовать для превращения окон в источники энергии. Стеклянные фасады небоскребов могут стать электростанциями, не нарушая естественного освещения и эстетики.
• Электромобили: Лобовые стекла и кузовные панели могут интегрировать прозрачные солнечные элементы, что увеличит автономность и снизит зависимость от зарядных станций.
• Носимые устройства: Умные часы, фитнес-трекеры и даже медицинские имплантаты, такие как кардиостимуляторы, могут получать энергию от встроенных прозрачных солнечных элементов.
• Смарт-гаджеты: Смартфоны и планшеты с интегрированными NISC могут стать самозаряжающимися, устраняя необходимость в постоянной подзарядке.

Основные вызовы связаны с масштабированием технологии. При увеличении размеров устройства наблюдалось падение напряжения холостого хода. Это препятствие удалось преодолеть благодаря оптимизации пропорций элементов, но дальнейшее улучшение эффективности и стабильности остаётся задачей для исследователей.

В будущем возможна интеграция NISC в повседневные предметы: от мебели до одежды, что сделает солнечную энергию более доступной и распространённой. Потенциальное использование на биологическом уровне, например, в кожных имплантатах, открывает новые горизонты для медицинских технологий.

Внедрение прозрачных солнечных элементов способствует значительному сокращению углеродного следа, снижая зависимость от ископаемого топлива. Использование ранее недоиспользованных поверхностей, таких как окна, позволяет максимально эффективно использовать солнечную энергию, что поддерживает принципы круговой экономики.

Прозрачные солнечные элементы открывают эпоху, когда энергия будет собираться с самых неожиданных поверхностей, органично вписываясь в нашу повседневную жизнь. Технология NISC не только решает текущие ограничения солнечных панелей, но и прокладывает путь к более устойчивому будущему, где каждая поверхность станет источником энергии.