Люминесцентный лист

Фото: wirestock на Freepik

Прикладная наука бионика, с достижениями которой со второй половины 1960-х молодёжь нашей страны знакомилась через серию радиопередач, книжек и мультфильмов «КОАПП» («Комитет охраны авторских прав природы»), занимается вопросами применения в технических устройствах решений, «подсмотренных» у живой природы. Вот свежий пример из сферы энергетики: японские разработчики преодолели ограничение на размер люминесцентного солнечного концентратора (Luminescent Solar Concentrator, LSC), воспроизведя строение живого листа.

Концентрация свечения

Чтобы фотоэлектрические элементы могли вырабатывать ток при небольшой освещённости, можно в дополнение к ним использовать оптическое оборудование, которое концентрирует имеющийся свет и направляет его на преобразователь. Делать это можно с помощью линз и зеркал, а в LSC солнечный свет поглощается люминесцентным (флуоресцентным) материалом и переизлучается в нужном направлении. При этом входящий поток представляет весь солнечный спектр, а излучаемый находится в строго определённом диапазоне частот, так что опосредованно используется энергия даже тех фотонов, которые сами по себе не дали бы фотоэлектрического эффекта.

Обычно LSC представляет собой многослойную пластину из чередующихся люминесцентных и прозрачных слоёв; структура и материал этих слоёв могут быть самыми разными. Солнечный свет падает на основную поверхность пластины, а сгенерированное излучение после многократного внутреннего отражения и преломления выходит с торцов и попадает на расположенные рядом фотоэлектрические элементы. Теоретически LSC может уловить и излучить с торцов порядка 75–80% (и даже больше) всего люминесцентного света, а общая эффективность системы (вычисленная как частное от деления энергии, выработанной фотоэлектрическими элементами, на энергию солнечных лучей, падающих на пластину) в идеальных условиях составляла бы около 20%. На практике этот показатель существенно скромнее (не выше 7%), и тем не менее спрос на LSC есть и растёт. Это и понятно, поскольку полупрозрачные цветные пластины, встроенные в здания и сооружения, одновременно и пропускают свет, и генерируют электроэнергию, и красиво смотрятся. Основные конечные пользователи, как сказано в исследовании международного аналитического агентства Data Bridge Market Research, – это всевозможные органы власти, включая муниципалитеты, и строительные компании.

Новые материалы

Исследователи в разных странах работают над созданием новых люминесцентных материалов, которые помогут расширить сферу применения и повысить эффективность технологии LSC. Так, в LSC на основе нанокластеров (квантовых точек) селенида кадмия/сульфида цинка (CdSe/ZnS) и селенида кадмия/сульфида кадмия (CdSe/CdS) может быть создан очень большой сдвиг Стокса, то есть разрыв между спектрами флуоресценции и поглощения. Это, в свою очередь, позволит почти (или даже полностью) предотвратить потерю фотонов в результате самопоглощения – ситуации, когда люминесцентный материал поглощает им же излученный фотон.

В 2013 году учёным удалось создать на основе смеси нанокластеров галогенидов металлов люминесцентный материал, который избирательно поглощает ультрафиолетовые лучи, а испускает инфракрасные ближнего спектра. Пластина LSC из такого материала визуально полностью прозрачна, сдвиг Стокса в этом случае огромен. Однако на сегодня идеальный люминесцентный материал остаётся открытием будущего, хотя и не исключено, что очень близкого.

Новая структура

Прямоугольная пластина вполне подходит для небольших LSC-модулей, используемых в строительных конструкциях, но для масштабных систем она не годится: если, ничего не меняя, просто увеличить площадь люминесцентной пластины, самопоглощение и рассеяние фотонов будут отбирать слишком много энергии. Возможное решение – совершенствование «слоёного пирога», его структурирование. Исследовательская группа из Университета Рицумэйкан (Кусацу, Япония) предложила абсолютно новый принцип устройства концентратора, взяв за образец живой лист дерева. Статья с описанием «листоподобной структуры» (leaf-like structure) была опубликована в июльском (втором) номере ежеквартального издания Journal of Photonics for Energy за этот год.

Пластина листоподобного концентратора не цельная, а состоит из отдельных ячеек, между которыми проходят «жилки» – люминесцентные волокна. С наружной стороны, где «жилок» нет, ячейки обрамлены зеркалами, предотвращающими потерю фотонов. Солнечный свет попадает в ячейки, переизлучается и многократно переотражается в них, и поток фотонов проходит по «жилкам» в прозрачный световод (аналог черенка у живого листа), на конце которого находится небольшой фотоэлектрический элемент. Он всего один, вся остальная поверхность концентратора люминесцентная.

Разделив поверхность LSC-пластины на отдельные ячейки, можно снизить потерю фотонов и тем самым повысить эффективность преобразования. Чем мельче ячейки, тем, вообще говоря, лучше. В эксперименте, проведённом авторами статьи, эффективность сбора фотонов на пластине из квадратных ячеек со стороной 10 мм была в четыре с лишним раза выше, чем на пластине из ячеек со стороной 50 мм. Из небольших элементов можно собирать модули практически любых форм – влияние геометрии на оптическую эффективность в таком случае незначительно, – а при их использовании снижаются эксплуатационные расходы, поскольку при неисправности достаточно заменить только испорченную ячейку.