eng
Выпуск #2/2021
О.А.Фарус
Просветляющие покрытия на основе полимерных пленок с наночастицами серебра для солнечных батарей
Просветляющие покрытия на основе полимерных пленок с наночастицами серебра для солнечных батарей
Просмотры: 1793
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.2.120.126
Работа посвящена вопросам получения и оценки эффективности пленочных просветляющих покрытий для солнечных батарей на основе наночастиц серебра. Функциональная роль просветляющих покрытий заключается в уменьшении степени отражения электромагнитных волн видимого и инфракрасного излучения. Эффект просветления достигается за счет нанесения на поверхность солнечной батареи раствора полимера с наночастицами серебра, который по истечении 24 ч превращается в тонкую пленку. Синтез покрытия осуществляли золь-гель-методом. Преимущество рассматриваемых покрытий заключается в несложном аппаратном оформлении их получения. Произведенный сравнительный анализ КПД солнечных батарей показал, что модификация солнечной батареи просветляющим покрытием повышает ее КПД на 9,5%.
Работа посвящена вопросам получения и оценки эффективности пленочных просветляющих покрытий для солнечных батарей на основе наночастиц серебра. Функциональная роль просветляющих покрытий заключается в уменьшении степени отражения электромагнитных волн видимого и инфракрасного излучения. Эффект просветления достигается за счет нанесения на поверхность солнечной батареи раствора полимера с наночастицами серебра, который по истечении 24 ч превращается в тонкую пленку. Синтез покрытия осуществляли золь-гель-методом. Преимущество рассматриваемых покрытий заключается в несложном аппаратном оформлении их получения. Произведенный сравнительный анализ КПД солнечных батарей показал, что модификация солнечной батареи просветляющим покрытием повышает ее КПД на 9,5%.
Теги: anti-reflection coating efficiency polymer films silver nanoparticles solar battery sol-gel technology volt-ampere characteristic вольт-амперная характеристика золь-гель-технология коэффициент полезного действия наночастицы серебра полимерные пленки просветляющее покрытие солнечная батарея
ПРОСВЕТЛЯЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК С НАНОЧАСТИЦАМИ СЕРЕБРА ДЛЯ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
ANTIREFLECTIVE COATINGS BASED ON POLYMER FILMS WITH SILVER
NANOPARTICLES FOR SOLAR CELLS
О.А.Фарус*, к.х.н., доцент, (ORCID: 0000-0002-1426-6534) / farusok@yandex.ru
O.A.Farus*, Cand. of Sci. (Chemical), Docent
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.2.120.126
Получено: 08.04.2021 г.
Работа посвящена вопросам получения и оценки эффективности пленочных просветляющих покрытий для солнечных батарей на основе наночастиц серебра. Функциональная роль просветляющих покрытий заключается в уменьшении степени отражения электромагнитных волн видимого и инфракрасного излучения. Эффект просветления достигается за счет нанесения на поверхность солнечной батареи раствора полимера с наночастицами серебра, который по истечении 24 ч превращается в тонкую пленку. Синтез покрытия осуществляли золь-гель-методом. Преимущество рассматриваемых покрытий заключается в несложном аппаратном оформлении их получения. Произведенный сравнительный анализ КПД солнечных батарей показал, что модификация солнечной батареи просветляющим покрытием повышает ее КПД на 9,5%.
The work is devoted to obtaining and evaluating the effectiveness of film antireflection coatings for solar cells based on silver nanoparticles. The development aim of antireflection coatings is to reduce reflection of electromagnetic waves of visible and infrared light. The illumination effect is achieved by applying a polymer solution containing silver nanoparticles on the surface of the solar battery, which turns into a thin film in 24 hours. The coating was synthesized by the sol-gel method. The advantage of the considered coatings lies in the simple hardware design of their production. The comparative analysis of the solar cells efficiency showed that the modification of the solar battery with an antireflection coating increases its efficiency by 9.5%.
ВВЕДЕНИЕ
Традиционные источники энергии, такие как газ, нефть или уголь, истощаются с каждым годом все сильнее, в то время как потребление энергии растет из-за увеличения численности населения. За счет сокращения земных запасов энергоресурсов цена за 1 кВт энергии постоянно увеличивается. Все это приводит к необходимости поиска новых возобновляемых энергоресурсов, то есть альтернативных источников энергии. Одним из наиболее перспективных альтернативных источников энергии является Солнце. Высокая конкурентоспособность солнца как источника энергии обусловлена его всеобщей доступностью во многих точках земной поверхности [1, 2]. Согласно литературным данным, на 1 м2 площади приходится 1367 Вт/м2 солнечного излучения [4].
В основе функционирования солнечных батарей лежит фотогальванический эффект, который был открыт Александром Эдмондом Беккерелем в 1839 году. Первый модуль солнечной батареи был сконструирован Чарльзом Фритсу через 44 года. Существуют различные типы солнечных батарей. Наибольшее распространение получили фотоэлементы на основе тонких кремниевых пластин. В настоящее время солнечные батареи используются во многих областях, например в медицине, космической промышленности, телекоммуникациях и др. [7].
При этом необходимо учитывать, что многие процессы приводят к уменьшению КПД солнечных батарей. Одна из наибольших потерь происходит за счет отражения света от поверхности полупроводника. Уменьшить потери можно за счет покрытия стекол солнечной батареи интерференционным просветляющим слоем. Просветляющее покрытие – это специальные покрытия, показатель преломления которых ниже, чем у стекла [4].
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В ходе проведения исследования было разработано просветляющее покрытие на основе искусственного водорастворимого полимера – поливинилового спирта (ПВС) и наночастиц серебра. Покрытия получали методом золь-гель-технологии [8]. Покрытие изготавливалось на основе сухого поливинилового спирта ((С2Н4О)х, где х – степень полимеризации), нитрата серебра (AgNO3) и аскорбиновой кислоты (С6Н8О6). Разбавляли поливиниловый спирт водой и нагревали, постоянно перемешивая, до образования прозрачной жидкости.
После чего в получившуюся жидкость вносили раствор нитрата серебра и добавляли раствор аскорбиновой кислоты при постоянном перемешивании:
C6H8O6 + 2AgNO3 = 2Ag + C6H6O6 + 2HNO3.
Часть полученного раствора переносилась в чашки Петри для образования пленок, которые в дальнейшем исследовались при помощи спектрофотометра, а вторая часть наносилась на солнечную батарею. Для получения пленок одинаковой толщины отбор растворов осуществлялся с помощью мерных пипеток.
Оценка оптических свойств полученного покрытия проводилась с помощью двулучевого спектрофотометра АРЕL-303UV. Спектры пропускания и поглощения снимали в диапазоне от 190 до 900 нм с шагом 5 нм (рис.1).
Сравнительный анализ полученных спектров поглощения и пропускания покрытия показывает их зеркальность и наличие двух небольших максимумов на длинах волн 220 и 470 нм. Это говорит о способности данного покрытия уменьшать процент отраженного света [3, 9].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Для оценки эффективности полученного покрытия была проведена оценка основных параметров солнечной батареи до модификации и после нанесения просветляющего покрытия.
В качестве объекта исследования была выбрана солнечная батарея типа blooma для садового освещения. На начальном этапе эксперимента при постоянной освещенности (с помощью люксметра) определялась нагрузочная вольт-амперная характеристика (ВАХ). Для этого производили замер величины тока (In) в цепи фотоэлемента при изменении сопротивления (Rn) (табл.1).
Полученные экспериментальные данные позволяют построить график зависимости силы тока от напряжения (рис.2).
Анализ полученного графика показывает, что солнечный элемент до модификации имеет следующие параметры:
Полученная вольт-амперная характеристика позволяет рассчитать максимальную мощность солнечной батареи, которая равна площади заштрихованного прямоугольника на рис.1.
Площадь данного прямоугольника можно найти по формулам 1, 2 (W, Вт):
W =Im ∙ Um; (1)
W = 11,3 ∙ 10–3 ∙ 2 = 0,0226 Вт. (2)
Также на первом этапе эксперимента был построен график зависимости тока и напряжения, вырабатываемых солнечной батареей, от освещенности (рис.3).
Анализ полученных графиков показывает, что при увеличении мощности происходит увеличение силы тока и напряжения. Полученные данные на основе ВАХ позволили рассчитать нам КПД исследуемой солнечной батареи (формулы 3–7).
. (3)
где η – КПД солнечной батареи;
Sphotocell = a ∙ b, м2. (4)
S= Sphotocell ∙ n, м2, (5)
где n – количество фотоэлементов
Sphotocell = 4 ∙ 4 = 16 (см2) = 0,0016 м2; (6)
. (7)
Таким образом, нами была проведена оценка исходных параметров солнечной батареи, используемой в быту для садового освещения. КПД данной батареи лежит в пределах 20–23%, что хорошо соответствует литературным данным [2].
Аналогичные параметры были определены для солнечной батареи после нанесения просветляющего покрытия. Полученные экспериментальные данные занесены в табл.2.
На основании полученных экспериментальных данных была построена ВАХ модифицированной солнечной батареи (рис.4).
Анализ полученного графика показывает, что солнечный элемент после модификации характеризуется следующими параметрами:
Полученная вольт-амперная характеристика позволяет рассчитать максимальную мощность солнечной батареи (формула 8), которая равна площади заштрихованного прямоугольника на рис.4:
W = 13,2 ∙ 10-3 ∙ 2,4 = 0,03168 Вт. (8)
В соответствии с полученными данными был рассчитан КПД солнечной батареи после модификации:
. (9)
Полученные результаты позволили провести сравнительный анализ мощности батареи до и после модификации (рис.5).
Из полученных результатов видно, что модификация солнечных батарей приводит к уменьшению отражающей способности солнечных батарей и, как следствие, к увеличению мощности на 0,5 Вт.
ВЫВОДЫ
Представленная методика синтеза просветляющего покрытия является экономичной за счет отсутствия необходимости в дорогостоящем оборудовании. Внедрение наночастиц в матрицу полимера приводит к появлению полосы поглощения в области 470 нм, что соответствует плазмонному резонансу наночастиц серебра. Проведенный анализ нагрузочной вольт-амперной характеристики и мощности солнечной батареи до и после модификации синтезированными пленками демонстрирует увеличение КПД солнечных батарей после модификации, что говорит о ее эффективности.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Алехин В.А. Области применения солнечной энергетики // Технические науки. 2013.
№ 12. С. 25–40.
Бернер Г.Я., Раяк М.Б., Кинкер М. Солнечная энергетика за рубежом // Energyfresh. 2009. № 5. С. 20–40.
Лунин Л.С., Лунина М.Л., Кравцов А.А., Сысоев И.А., Блинов А.В. Синтез и исследование свойств тонких пленок TiO2, легированных наночастицами серебра, для просвещающих покрытий и прозрачных контактов фотопреобразователей // Физика и техника полупроводников. 2016. Т. 50. Вып. 9. С. 1253–1257.
Немкова А.А., Путилин Э.С. Выбор оптимального просветляющего покрытия для задач солнечной энергетики. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2008. № 58. С. 22–25.
Парфенов В.В., Закиров Р.Х., Болтакова Н.В. Изучение работы солнечной батареи. Казань: Издательство Казанского. Университета, 2014. 33 c.
Петровнина М.С., Гришин П.В., Катнов В.Е., Степин С.Н. Просветляющие покрытия на основе наноразмерного диоксида кремния. Вестник Казанского технологического университета. 2014. № 6. С. 67–69.
Тарнижевский Б.В. Перспективы развития отечественной солнечной энергетики // Современные проблемы науки и образования. 2003. № 5. С. 12–18.
Фарус О.А. Получение и сравнительный анализ свойств полимерных наноструктурированных пленок на основе различных органических полимеров и наночастиц серебра // Композиты и наноструктуры. 2019. Т. 11. № 3 (43). С. 125–129.
Фарус О.А., Игнатьева К.Н. Перспективы использования волокнистых нанокомпозитных материалов для очистки воды в закрытых системах // Экологическая химия. 2018. Т. 27. № 6. С. 301–308.
Декларация о конфликте интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ANTIREFLECTIVE COATINGS BASED ON POLYMER FILMS WITH SILVER
NANOPARTICLES FOR SOLAR CELLS
О.А.Фарус*, к.х.н., доцент, (ORCID: 0000-0002-1426-6534) / farusok@yandex.ru
O.A.Farus*, Cand. of Sci. (Chemical), Docent
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.2.120.126
Получено: 08.04.2021 г.
Работа посвящена вопросам получения и оценки эффективности пленочных просветляющих покрытий для солнечных батарей на основе наночастиц серебра. Функциональная роль просветляющих покрытий заключается в уменьшении степени отражения электромагнитных волн видимого и инфракрасного излучения. Эффект просветления достигается за счет нанесения на поверхность солнечной батареи раствора полимера с наночастицами серебра, который по истечении 24 ч превращается в тонкую пленку. Синтез покрытия осуществляли золь-гель-методом. Преимущество рассматриваемых покрытий заключается в несложном аппаратном оформлении их получения. Произведенный сравнительный анализ КПД солнечных батарей показал, что модификация солнечной батареи просветляющим покрытием повышает ее КПД на 9,5%.
The work is devoted to obtaining and evaluating the effectiveness of film antireflection coatings for solar cells based on silver nanoparticles. The development aim of antireflection coatings is to reduce reflection of electromagnetic waves of visible and infrared light. The illumination effect is achieved by applying a polymer solution containing silver nanoparticles on the surface of the solar battery, which turns into a thin film in 24 hours. The coating was synthesized by the sol-gel method. The advantage of the considered coatings lies in the simple hardware design of their production. The comparative analysis of the solar cells efficiency showed that the modification of the solar battery with an antireflection coating increases its efficiency by 9.5%.
ВВЕДЕНИЕ
Традиционные источники энергии, такие как газ, нефть или уголь, истощаются с каждым годом все сильнее, в то время как потребление энергии растет из-за увеличения численности населения. За счет сокращения земных запасов энергоресурсов цена за 1 кВт энергии постоянно увеличивается. Все это приводит к необходимости поиска новых возобновляемых энергоресурсов, то есть альтернативных источников энергии. Одним из наиболее перспективных альтернативных источников энергии является Солнце. Высокая конкурентоспособность солнца как источника энергии обусловлена его всеобщей доступностью во многих точках земной поверхности [1, 2]. Согласно литературным данным, на 1 м2 площади приходится 1367 Вт/м2 солнечного излучения [4].
В основе функционирования солнечных батарей лежит фотогальванический эффект, который был открыт Александром Эдмондом Беккерелем в 1839 году. Первый модуль солнечной батареи был сконструирован Чарльзом Фритсу через 44 года. Существуют различные типы солнечных батарей. Наибольшее распространение получили фотоэлементы на основе тонких кремниевых пластин. В настоящее время солнечные батареи используются во многих областях, например в медицине, космической промышленности, телекоммуникациях и др. [7].
При этом необходимо учитывать, что многие процессы приводят к уменьшению КПД солнечных батарей. Одна из наибольших потерь происходит за счет отражения света от поверхности полупроводника. Уменьшить потери можно за счет покрытия стекол солнечной батареи интерференционным просветляющим слоем. Просветляющее покрытие – это специальные покрытия, показатель преломления которых ниже, чем у стекла [4].
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В ходе проведения исследования было разработано просветляющее покрытие на основе искусственного водорастворимого полимера – поливинилового спирта (ПВС) и наночастиц серебра. Покрытия получали методом золь-гель-технологии [8]. Покрытие изготавливалось на основе сухого поливинилового спирта ((С2Н4О)х, где х – степень полимеризации), нитрата серебра (AgNO3) и аскорбиновой кислоты (С6Н8О6). Разбавляли поливиниловый спирт водой и нагревали, постоянно перемешивая, до образования прозрачной жидкости.
После чего в получившуюся жидкость вносили раствор нитрата серебра и добавляли раствор аскорбиновой кислоты при постоянном перемешивании:
C6H8O6 + 2AgNO3 = 2Ag + C6H6O6 + 2HNO3.
Часть полученного раствора переносилась в чашки Петри для образования пленок, которые в дальнейшем исследовались при помощи спектрофотометра, а вторая часть наносилась на солнечную батарею. Для получения пленок одинаковой толщины отбор растворов осуществлялся с помощью мерных пипеток.
Оценка оптических свойств полученного покрытия проводилась с помощью двулучевого спектрофотометра АРЕL-303UV. Спектры пропускания и поглощения снимали в диапазоне от 190 до 900 нм с шагом 5 нм (рис.1).
Сравнительный анализ полученных спектров поглощения и пропускания покрытия показывает их зеркальность и наличие двух небольших максимумов на длинах волн 220 и 470 нм. Это говорит о способности данного покрытия уменьшать процент отраженного света [3, 9].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Для оценки эффективности полученного покрытия была проведена оценка основных параметров солнечной батареи до модификации и после нанесения просветляющего покрытия.
В качестве объекта исследования была выбрана солнечная батарея типа blooma для садового освещения. На начальном этапе эксперимента при постоянной освещенности (с помощью люксметра) определялась нагрузочная вольт-амперная характеристика (ВАХ). Для этого производили замер величины тока (In) в цепи фотоэлемента при изменении сопротивления (Rn) (табл.1).
Полученные экспериментальные данные позволяют построить график зависимости силы тока от напряжения (рис.2).
Анализ полученного графика показывает, что солнечный элемент до модификации имеет следующие параметры:
- напряжение холостого хода (Uxx) – 4,5 В;
- ток короткого замыкания (Isc) – 13,8 mА;
- напряжение максимальной мощности (U) – 2,0 В;
- ток максимальной мощности (I) – 11,3 mА.
Полученная вольт-амперная характеристика позволяет рассчитать максимальную мощность солнечной батареи, которая равна площади заштрихованного прямоугольника на рис.1.
Площадь данного прямоугольника можно найти по формулам 1, 2 (W, Вт):
W =Im ∙ Um; (1)
W = 11,3 ∙ 10–3 ∙ 2 = 0,0226 Вт. (2)
Также на первом этапе эксперимента был построен график зависимости тока и напряжения, вырабатываемых солнечной батареей, от освещенности (рис.3).
Анализ полученных графиков показывает, что при увеличении мощности происходит увеличение силы тока и напряжения. Полученные данные на основе ВАХ позволили рассчитать нам КПД исследуемой солнечной батареи (формулы 3–7).
. (3)
где η – КПД солнечной батареи;
Sphotocell = a ∙ b, м2. (4)
S= Sphotocell ∙ n, м2, (5)
где n – количество фотоэлементов
Sphotocell = 4 ∙ 4 = 16 (см2) = 0,0016 м2; (6)
. (7)
Таким образом, нами была проведена оценка исходных параметров солнечной батареи, используемой в быту для садового освещения. КПД данной батареи лежит в пределах 20–23%, что хорошо соответствует литературным данным [2].
Аналогичные параметры были определены для солнечной батареи после нанесения просветляющего покрытия. Полученные экспериментальные данные занесены в табл.2.
На основании полученных экспериментальных данных была построена ВАХ модифицированной солнечной батареи (рис.4).
Анализ полученного графика показывает, что солнечный элемент после модификации характеризуется следующими параметрами:
- напряжение холостого хода (Uxx) – 5,5 В;
- ток короткого замыкания (Isc) – 14,5 мА;
- напряжение максимальной мощности (U) – 2,4 В;
- ток максимальной мощности (I) – 13,2 мА.
Полученная вольт-амперная характеристика позволяет рассчитать максимальную мощность солнечной батареи (формула 8), которая равна площади заштрихованного прямоугольника на рис.4:
W = 13,2 ∙ 10-3 ∙ 2,4 = 0,03168 Вт. (8)
В соответствии с полученными данными был рассчитан КПД солнечной батареи после модификации:
. (9)
Полученные результаты позволили провести сравнительный анализ мощности батареи до и после модификации (рис.5).
Из полученных результатов видно, что модификация солнечных батарей приводит к уменьшению отражающей способности солнечных батарей и, как следствие, к увеличению мощности на 0,5 Вт.
ВЫВОДЫ
Представленная методика синтеза просветляющего покрытия является экономичной за счет отсутствия необходимости в дорогостоящем оборудовании. Внедрение наночастиц в матрицу полимера приводит к появлению полосы поглощения в области 470 нм, что соответствует плазмонному резонансу наночастиц серебра. Проведенный анализ нагрузочной вольт-амперной характеристики и мощности солнечной батареи до и после модификации синтезированными пленками демонстрирует увеличение КПД солнечных батарей после модификации, что говорит о ее эффективности.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Алехин В.А. Области применения солнечной энергетики // Технические науки. 2013.
№ 12. С. 25–40.
Бернер Г.Я., Раяк М.Б., Кинкер М. Солнечная энергетика за рубежом // Energyfresh. 2009. № 5. С. 20–40.
Лунин Л.С., Лунина М.Л., Кравцов А.А., Сысоев И.А., Блинов А.В. Синтез и исследование свойств тонких пленок TiO2, легированных наночастицами серебра, для просвещающих покрытий и прозрачных контактов фотопреобразователей // Физика и техника полупроводников. 2016. Т. 50. Вып. 9. С. 1253–1257.
Немкова А.А., Путилин Э.С. Выбор оптимального просветляющего покрытия для задач солнечной энергетики. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2008. № 58. С. 22–25.
Парфенов В.В., Закиров Р.Х., Болтакова Н.В. Изучение работы солнечной батареи. Казань: Издательство Казанского. Университета, 2014. 33 c.
Петровнина М.С., Гришин П.В., Катнов В.Е., Степин С.Н. Просветляющие покрытия на основе наноразмерного диоксида кремния. Вестник Казанского технологического университета. 2014. № 6. С. 67–69.
Тарнижевский Б.В. Перспективы развития отечественной солнечной энергетики // Современные проблемы науки и образования. 2003. № 5. С. 12–18.
Фарус О.А. Получение и сравнительный анализ свойств полимерных наноструктурированных пленок на основе различных органических полимеров и наночастиц серебра // Композиты и наноструктуры. 2019. Т. 11. № 3 (43). С. 125–129.
Фарус О.А., Игнатьева К.Н. Перспективы использования волокнистых нанокомпозитных материалов для очистки воды в закрытых системах // Экологическая химия. 2018. Т. 27. № 6. С. 301–308.
Декларация о конфликте интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
