09.10.2018
Эксперты предсказывают, что уже к 2050 году мы будем иметь глобальные широкополосные интернет-спутниковые сети, производственные мощности на орбите, космический туризм, освоение астероидов, Луны и Марса.
Чтобы питать все эти виды деятельности, потребуется больше, чем гигаватт солнечной энергии. Этот объем эквивалентен тому, что могут дать солнечные панели в количестве 3,125 млн. штук. Именно поэтому уже сейчас ученые ищут способы сделать солнечную энергию в космосе более доступной.
Докторант Университета штата Аризона (ASU) Станислав Герасименко считает, что он нашел путь, позволяющий получить доступную солнечную энергию для космического применения. Это - исследование технологии солнечных кремниевых гетеропереходов с использованием низкотемпературного метода осаждения слоев аморфного кремния с высокой концентрацией атомарного водорода на кристаллическую кремниевую пластину. Этот метод позволит создать солнечный элемент, который будет более эффективным при преобразовании солнечного света в электричество, чем обычные солнечные фотоэлементы, которые производятся с использованием стандартных высокотемпературных методов.
Технология кремниевых гетеропереходов не нова, пока она широко не используется в коммерческой солнечной энергетической отрасли, но имеет большие перспективы для будущего солнечной энергетики.
Обычные солнечные батареи обладают эффективностью производства до 21,5 %. Станислав Герасименко полагает, что технология батарей с кремниевыми гетеропереходами поможет достичь 24% эффективности, причем без увеличения стоимости производства. Увидев это как возможность применения своих исследований, он взялся за разработку технологии солнечных батарей Regher Solar.
Новой солнечной технологии будет непросто выйти на рынок. На этом этапе своего развития технология солнечных элементов с гетеропереходами кремния слишком дорогая для наземного рынка, но она может быть очень привлекательной для аэрокосмических компаний.
Применяемая сейчас технология солнечной энергии в космосе, тандемные солнечные элементы, более эффективны, чем земные системы (от 28 до 32 % эффективности). Но стоят они на порядок больше, от 100 до 500 долларов за ватт. Новая технология гетеропереходов кремния компании Regher Solar - это цена в $ 1 за ватт, даже с потерей в 7% эффективности.
У Герасименко и его команды есть идеи, позволяющие сделать солнечные батареи более устойчивыми к суровому пространству космоса. Теоретически это существенно продлит их срок службы.
Земля имеет две зоны за пределами атмосферы, называемые поясами Ван-Аллена, которые создаются магнитным полем планеты. Эти зоны захватывают излучение космических лучей и отражают его в космос, что вредит солнечным элементам на космических кораблях, когда они покидают атмосферу Земли. Regher Solar использует кремниевую гетеро переходную технологию для создания более прочных солнечных элементов, которым не будут страшны эти излучения.
Силиконовый гетеро переходный солнечный элемент, который разрабатывает Станислав Герасименко с командой Regher Solar, можно будет использовать и для наземных рынков. Есть возможность сделать элементы с кремниевыми гетеропереходами предельно тонкими, что добавит им радиационной стойкости. Протоны с максимальной энергией смогут проходить сквозь такой солнечный элемент, не повреждая его.
«В некоторых условиях он может быть практически прозрачным, для частиц с высоким уровнем энергии. Даже если космическое излучение создаст дефект в солнечном элементе, электроны будут иметь гораздо меньше шансов рекомбинировать через этот дефект, что дает повышение эффективности солнечного элемента из-за продления срока службы» - сказал Герасименко.
Современные солнечные элементы имеют толщину от 160 до 180 микрометров. Доктор Герасименко и команда ученых Regher Solar ориентированы на солнечные элементы толщиной в 50 или даже в 10 микрометров.
Для изготовления таких элементов требуется специальное оборудование, которое делает производство дороже на 30 центов за ватт. Но это не проблема для аэрокосмических компаний, которые в настоящее время платят в 500 раз больше за солнечные элементы для космоса.
Еще одна особенность технологии Regher Solar - низкий вес модулей. Новые солнечные элементы Герасименко в 15 раз тоньше, так что они еще больше минимизируют расходы на космическую солнечную энергию.
В рамках своего гранта SBIR специалисты компании Regher Solar будут работать с SolAero Technologies для тестирования солнечных батарей различной толщины, чтобы найти оптимальный баланс толщины элементов, производительности и долговечности. Когда компания Regher Solar успешно завершит свои исследования, она будет на пути к тому, чтобы помочь космической экономике успешно удовлетворить свои энергетические потребности.