По мере роста потребностей в чистой, возобновляемой энергии ученые разрабатывают все новые технологии для эффективного преобразования энергии Солнца в электричество. Среди этих инноваций выделяются люминесцентные солнечные концентраторы, которые можно интегрировать в существующую инфраструктуру — окна или фасады зданий. Ученые из Нидерландов выяснили, какое сочетание материалов обеспечивает люминесцентным концентраторам наилучшую производительность.

«Люминесцентные солнечные концентраторы — уникальный вид устройств преобразования солнечной энергии, — пояснил профессор Утрехтского университета Вилфрид ван Сарк. — Обычно они состоят из тонких прозрачных материалов, или волноводов, покрытых люминофорами — особыми молекулами или наночастицами, поглощающими свет Солнца и излучающими его в волнах большей длины. Изменение длины волн позволяет свету оставаться внутри волновода, благодаря процессу полного внутреннего отражения. Затем свет направляется к краям, где фотоэлементы преобразуют его в электричество».

Производительность современных люминесцентных солнечных концентраторов невысока — около 1 % по сравнению с примерно 20 %, как у обычных солнечных панелей. Их экономический потенциал зависит скорее от пространства, которое они могут покрывать, например, окна и фасады многоэтажных домов.

Для выполнения своей функции люминофоры должны поддерживать хрупкое равновесие: минимизировать поглощение видимого света, но в то же время, эффективно поглощать ультрафиолетовый и инфракрасный свет. В таком случае устройство будет прозрачным и пригодным для нанесения на оконные стекла многоэтажных домов.

Однако до сих пор ученые не знают, какие виды люминофоров самые эффективные, как они ведут себя в реальных концентраторах и какова оптимальная конструкция этих устройств. Чтобы ответить на эти вопросы, ученые из команды ван Сарка исследовали взаимодействие света внутри волновода при помощи передовых методов моделирования. Они протестировали 92 известных люминофора в сочетании с прозрачным волноводным материалом полиметилметакрилатом и обнаружили самую эффективную конфигурацию для улавливания и конверсии солнечного света в электричество: волновод с наночастицами сульфида меди-индия и сульфида цинка.

Результаты моделирования показали, что производительность зависит от спектров поглощения и эмиссии люминофор. Чем шире спектр поглощения, тем больше света можно использовать для выработки электричества. Квантовая эффективность использованного люминофора — другой важный параметр, который следует оптимизировать.

Помимо этого, люминофоры должны не только эффективно превращать солнечную энергию в электрическую, но и пропускать свет с минимальными потерями. А также поддерживать природный цвет лучей — это важно, если устройство планируется применять для покрытия окон. Настройка всех этих параметров — непростая задача, пишет Advanced Science News.