Ультрафиолет и пыль снижают рабочие характеристики кремниевых солнечных батарей. Для защиты от этих негативных факторов используют стеклянные экраны. Но, если батарею накрывать не обычным стеклом, а люминесцентным (светящимся в результате поглощения УФ излучения), можно не только защитить ее от механических загрязнений, но и заметно выиграть в количестве света, попадающем в конечном итоге на поверхность батареи.
Оптический материал, созданный в Международной лаборатории «Современные фотонные материалы и технологии» Университета ИТМО, поглощает ультрафиолетовое излучение и преобразует его в свет видимого диапазона. Поэтому вместо того, чтобы разрушать солнечную батарею, энергия ультрафиолета может использоваться для преобразования в электрическую. Объем «правильного» света, падающего на батарею, увеличивается, следовательно, растет и ее коэффициент полезного действия (КПД).
На сегодняшний день КПД солнечных батарей невысок — около 20%, но его можно значительно повысить, если использовать люминесцентные защитные стекла с высокой эффективностью преобразования света.
«Нам удалось увеличить эффективность трансформации ультрафиолета в стеклах до 30%, что сопоставимо с передовыми результатами в этой области. При этом мы уже занимаемся оптимизацией разработанной технологии и в скором времени планируем увеличить квантовый выход ещё в 2 раза. Стекла с такими характеристиками смогут найти уже реальные приложения», — рассказывает ведущий автор статьи, сотрудник Международной лаборатории «Современные фотонные материалы и технологии» Евгений Сгибнев.
Ученые также предполагают, что изготовление белых светодиодов из люминесцентного стекла станет серьезным шагом вперед в производстве осветительной техники. Сегодня, чтобы получить белый свет, производители идут на хитрость: на синий светодиод наносят желтый люминофор (полимерное покрытие, наполненное светящимися частицами). Цвета смешиваются и дают почти белый свет. Тем не менее, в подобных устройствах цветопередача искажена. Кроме того, люминофор быстро выходит из строя, поскольку работа светодиода связана с частыми перегревами, из-за которых полимер начинает деградировать.
Стекло, напротив, не боится высоких температур и неблагоприятных погодных условий, а благодаря специальной технологии, которую использовали ученые, люминесцирующие частицы находятся прямо внутри него, обеспечивая лучшую цветопередачу и долговечность материала.
«Осветительные устройства из люминесцентного стекла можно устанавливать на стадионах, автострадах, в аэропортах, концертных залах. Сейчас светодиоды требуют замены раз в полгода, но, если изготовлять их по нашей технологии, они будут жить в десятки раз дольше, тем самым существенно сокращая расходы на замену освещения», — отмечает Николай Никоноров, директор НИИ нанофотоники и оптоинформатики, заведующий кафедрой оптоинформационных технологий и материалов Университета ИТМО.
Преимущество нового материала также в простоте его получения. Стекло варят при температуре 1500 градусов по Цельсию, потом формуют. Чтобы стекло светилось под действием УФ, в него нужно ввести ионы серебра, а затем сгруппировать их в кластеры определенного размера. Поэтому далее идет стадия ионного обмена: стекло погружают в расплав соли серебра при 320 °C, и ионы серебра проникают в стекло, заменяя ионы натрия. Так, высокие концентрации ионов серебра оказываются внутри поверхностного слоя стекла в несколько микрометров. Кстати, технология ионного обмена широко используется в производстве защитных стекол смартфонов (знаменитое Corning Gorilla Glass) или упрочнения бутылок для шампанского. Только вместо серебра применяют ионы калия.
Чтобы придать стеклу люминесцентные свойства, в его состав обязательно должен входить оксид церия, но в малых количествах. Церий способен отдавать свой электрон серебру, тем самым превращая ионы серебра в атомы, необходимые для сборки кластеров. Без церия люминесцентные свойства стекло не проявляет.
Последняя стадия получения люминесцентного стекла — термообработка. Она необходима для того, чтобы ионы серебра собрались в кластеры, причем строго определенного размера. Так как речь идет о наномасштабе, то незначительная разница в размерах вызывает большое различие в свойствах. Поверхность стекла излучает интенсивный видимый свет, только если в кластер входят 2−4 атома серебра. Кластеры из большего количества атомов могут вовсе не обладать люминесцентными свойствами или излучать инфракрасный свет, который можно использовать для зарядки только определенных типов солнечных батарей. Процесс кластеризации довольно сложно контролировать, поэтому люминесцентный защитный экран и солнечную батарею следует разрабатывать совместно.
Статья: Y. M. Sgibnev, N. V. Nikonorov, A. I. Ignatiev, Luminescence of silver clusters in ion-exchanged cerium-doped photo-thermo-refractive glasses, Journal of Luminescence, April 6, 2016.
