Что спасёт нас от жары и холода

Солнечные батареи на стекле

Представьте, зима. На улице стужа, а вашем доме нет батарей… При этом вам тепло. Причём теплее всего у окна... Думаете, это фантастика? Совсем нет, такие чудеса возможны.

Группа учёных Сибирского федерального университета — доктор технических наук Тамара Патрушева и аспиранты Николай Снежко, Андрей Белоусов, Алексей Рыженков уже несколько лет работают над проектом, который можно условно можно назвать “Умное стекло”. “Умным” оно становится благодаря нанесению на него специальной прозрачной плёнки, которая и будет проводником тепла.

— Проводящие плёнки можно использовать для обогреваемого стекла, — поясняет профессор кафедры приборостроения и наноэлектроники Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ Тамара Патрушева, один из авторов научного изыскания. — Такое стекло можно использовать в автомобилях и витринах торговых центров в качестве антиобледенителя, а также для таяния снега на крышах зданий.

Можно через плёнку не только обогревать стекло, но и, по желанию, менять его цвет, делать тонированным или прозрачным. В общем, такое стекло может выполнять не одну функцию. “Умное стекло” не просто пропускает свет или же, наоборот, поглощает его, оно специально предназначено для изготовления энергосберегающих окон, так как обладает возможностью контроля (ручного или автоматического) над проникающими солнечными лучами.

Сегодня существует несколько видов “умного стекла”, это могут быть устройства с взвешенными частицами или жидкими кристаллами. Разработчики предлагают сделать акцент на электрохромных стёклах. Уникальное отличие электрохромного стекла в том, что его действие не ограничивается двумя состояниями: тёмное или прозрачное. Оно может создавать различные уровни прозрачности, давая возможность полностью управлять яркостью солнечных лучей. Электрохромические устройства изменяют прозрачность материала при подаче напряжения и тем самым контролируют количество пропускаемого света и тепла: состояние может меняться между цветным, полупрозрачным состоянием и прозрачным. Оттенки в тёмном состоянии могут быть от самой насыщенной тонировки до едва заметного затенения.

И ещё электрохромное стекло почти совсем не потребляет электроэнергию. Электрически переключаемые ЭХ-окна могут помочь сэкономить 40 процентов затрат на электричество.

— Электрохромное стекло позволяет уменьшить потери тепла, сократить расходы на кондиционирование и освещение, служат альтернативой жалюзи и механическим затеняющим экранам, шторам, — говорит один из авторов проекта аспирант СФУ Николай Снежко. — Контроль солнечного света и инфракрасного излучения способен значительно снизить потребление энергии, как летом, так и зимой. Мы также предлагаем использовать для энергообеспечения зданий солнечные батареи на стекле, изобретенные Гретцелем.

Сегодня для получения электроэнергии за счёт солнечного света в основном используются батареи из полированных пластинок кремния. Надо сказать, что они довольно дорогие. Но лет двадцать назад учёные во главе с Михаэлем Гретцелем предложили более экономичный способ превращения солнечного света в электричество — органическую солнечную батарею. Её назвали “ячейка Гретцеля”. В ней кремний заменён органическим красителем, нанесённым на частицы дешёвого полупроводника — диоксида титана, основного компонента белой краски. Вся система помещена на проводящее электричество стекло. Краситель поглощает свет, высвобождает электрон, который перемещается в зону проводимости. Высвобождение большого количества электронов приводит к возникновению электрического тока. Так что “ячейки Гретцеля” могут составить серьёзную конкуренцию дорогостоящим кремниевым ячейкам.

— Производство “умных стекол” уже давно поставлено на поток в промышленности, — продолжает Николай. — Это не наше изобретение. Ноу-хау моей работы и моих коллег заключается в разработке альтернативной, более экономичной технологи нанесения проводящей плёнки на стекло. Современные компании производят такие продукты с использованием вакуумных технологий магнетронного распыления или газового транспорта, которые требуют больших затрат энергии и сложного оборудования. Такое производство — очень затратно, что сдерживает спрос на электрохромное стекло. Цель работы учёных СФУ — создание крупномасштабной и малозатратной технологии изготовления прозрачных проводящих стёкол, электрохромных устройств и оксидных солнечных батарей. Оптимальных свойств активных компонентов мы добиваемся с помощью химических растворных методов нанесения плёнок. Наши же плёночные покрытия не являются затратными. Так, по расчётам, оконное стекло с покрытием стоит незначительно дороже самого стекла: без плёнки 200 рублей за квадратный метр, а с ней — 214 рублей. Немаловажно, что оборудование для нанесения плёнки стоит недорого и просто в применении. Для того чтобы наносить плёнку, не нужно открывать отдельное производство. Технику можно просто установить на любом стекольном заводе.

Для доведения проекта до ума, заключает Николай Снежко, при стабильном финансировании им необходимо около года. Но уже и сейчас интерес к изысканиям СФУ проявляют отечественные предприятия. Так, например, к нашим учёным обратилось руководство одного из заводов Алтая, где ремонтируются железнодорожные вагоны. Чтобы окна электричек не запотевали и не замерзали зимой, они используют “умные окна” китайского производства. Но проблема заключается в том, что стёкла не всегда выдерживают сибирские морозы — трескаются. Поэтому алтайцы и решили обратиться к учёным из соседнего региона в надежде, что окна, сделанные по технологии учёных из Красноярска, будут более прочными… Кто знает, может, в скором будущем красноярские разработки и технологии составят конкуренцию инженерной мысли Поднебесной.