Бесцветные окна, преобразующие солнечный свет в электричество
Солнечные батареи помогают нам использовать меньше угля или нефти при производстве электроэнергии. Таким образом, мы создаем меньше проблем для окружающей среды. Большинство солнечных батарей стоят дорого, и их нельзя использовать для окон, потому что они не прозрачны, а значит, скрывают обзор. Но солнечные окна можно создать с помощью специальных химических веществ, называемых органическими красителями. Такие окна могут улавливать солнечный свет и использовать его энергию для производства электричества, но при этом через них открывается прекрасный вид. Окна, которые мы сделали, стоят недорого и сохраняют цвета вашего вида неизменными. Каждое бесцветное окно производит 100 ватт электроэнергии, что достаточно для одновременной подзарядки 20 смартфонов. Поскольку мы можем использовать эти дешевые, бесцветные, солнечные окна повсюду, мы можем производить много чистой энергии!
Использование солнечного света в качестве источника чистой энергии
На Земле живет множество людей. Они пользуются телефонами, телевизорами, компьютерами и многими другими устройствами, для работы которых необходимо электричество. Самый распространенный способ получения электричества - сжигание угля, газа или нефти. Сжигание этих видов топлива представляет собой проблему, поскольку при сгорании выделяются такие газы, как углекислый газ и метан. Эти газы делают нашу планету теплее и создают другие экологические проблемы. Поэтому многие страны хотят получать электричество из чистых источников энергии, таких как солнечный свет [ 1 ]. Для этого нам нужны солнечные панели. Типичные солнечные панели изготавливаются из материала под названием кремний, который способен улавливать солнечный свет. Кремний стоит дорого, поэтому в бедных странах трудно установить много солнечных панелей. Кроме того, кремний не пропускает свет, поэтому кремниевые солнечные панели нельзя использовать для окон, так как они скроют ваши прекрасные виды (рис. 1А).
К счастью, существует множество других цветных химических веществ (так называемых красителей), способных улавливать солнечный свет. Когда в состав этих цветных веществ входят атомы углерода, мы называем их органическими красителями. Некоторые органические красители можно найти в природе. Например, хлорофилл - это краситель, который придает растениям зеленый цвет, а β-каротин - краситель, благодаря которому морковь выглядит оранжевой. Мы использовали натуральные или искусственные органические красители для создания бесцветных солнечных окон. Структура нашего солнечного окна показана на рисунке 2. Сначала мы сделали очень тонкие листы органического красителя, которые в 1000 раз тоньше бумаги [2, 3]. Мы называем эти листы активными слоями. Мы должны смешать как минимум два красителя в активных слоях, если хотим, чтобы они превращали солнечный свет в электричество. Мы помещаем один активный слой между двумя другими листами, называемыми электродами, которые улавливают или выпускают электроны из активного слоя или в него. Электроны - это маленькие частицы, которые создают электричество, когда перетекают с одного электрода на другой. Если два электрода также прозрачны, то солнечные окна будут прозрачными (рис. 1B). Такие окна вырабатывают электричество из менее чем половины попадающего на них солнечного света, а остальной свет пропускают через себя, поэтому через солнечные окна по-прежнему можно любоваться прекрасными видами.
Хотя это может показаться захватывающим прорывом, у таких окон есть две большие проблемы. Во-первых, они со временем перестают работать, потому что кислород в воздухе разрушает многие органические красители. Во-вторых, если органические красители не улавливают все цвета света в равной степени, вид из окон будет казаться оранжевым или красным. Можно ли сделать солнечные окна, которые будут служить долго и не изменят цвет вашего вида? Именно это мы и попытались сделать в нашем исследовании.
Как работают солнечные окна?
Чтобы получить электричество, нужно заставить маленькие частицы, называемые электронами, перемещаться с места на место. Этот поток электронов называется электрическим током. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому их обычно можно встретить прочно приклеенными к атомам, так как частицы, называемые протонами, внутри атомов имеют положительный заряд. Как вы, вероятно, знаете, противоположные заряды притягиваются друг к другу, в то время как схожие заряды отталкиваются друг от друга. Чтобы создать поток электричества, электроны сначала нужно выбить из атомов, к которым они прикреплены. Чтобы освободить электроны, требуется энергия. В наших солнечных окнах электроны выбиваются из атомов одного красителя, назовем его краситель А, энергией солнечного света. После того как электроны выбиты, их "крадут" атомы другого красителя, который мы назовем красителем В. Электрон, украденный красителем В, может свободно перемещаться с места на место, потому что у красителя В электроны уже прочно приклеены к протонам внутри его атома. Теперь свободные электроны могут перетекать от одного электрода к другому, в результате чего образуется электричество. Это основа создания электричества с помощью органических солнечных окон... но есть еще несколько деталей, которые вам необходимо знать.
Солнечный свет, как и весь свет, состоит из маленьких частиц, называемых фотонами. Фотоны с разной энергией кажутся нашим глазам разными по цвету. Например, фотоны красного света имеют меньшую энергию, чем фотоны синего или зеленого света. Чтобы возник электрический ток, энергия фотонов, попадающих на атомы красителя, должна быть достаточно сильной, чтобы отделить электроны от атомов красителя. Если фотоны не обладают достаточной энергией, чтобы выбить электроны, они пройдут через окно, не способствуя возникновению электрического тока.
Кроме того, как мы уже говорили, активный слой наших солнечных окон находится между дополнительными слоями, называемыми электродами. Эти дополнительные слои важны, потому что они показывают электронам, в каком направлении они должны двигаться. Электроды также являются материалами, к которым вы будете подключать электрическое оборудование, которое вы хотите питать солнечным светом. Например, если вы хотите подзарядить аккумулятор смартфона, вы соедините электроды аккумулятора с электродами солнечного окна.
Как сделать бесцветные солнечные окна?
Знаете ли вы, что солнечный свет состоит из множества различных цветов? Именно эти цвета вы видите в радуге. Три основных цвета - синий, зеленый и красный (некоторые люди говорят "синий", "желтый" и "красный", но мы в науке используем зеленый). Помните, что цвета отражают уровень энергии фотонов. Некоторые фотоны солнечного света, попадающие на солнечное окно, будут обладать достаточной энергией, чтобы сбить электроны с атомов красителя, вызвав электрический ток, но некоторые фотоны этого не сделают. Если у них недостаточно энергии, чтобы выбить электроны из атомов, эти фотоны просто пройдут сквозь окно - эти фотоны называются проходящим светом, и они составляют тот свет, который позволяет вам видеть через окно! Мы можем рассчитать процент пропускаемого света (T%) следующим образом:
T % = свет, проходящий через окно / свет, попадающий на окно × 100 %Мы создали солнечные окна с использованием двух красных органических красителей, а затем осветили эти окна красным, синим или зеленым светом, чтобы определить T% для каждого цвета света. Когда мы протестировали солнечные окна, изготовленные только с использованием этих двух красных красителей, мы обнаружили, что T% для красного света на 20 % выше, чем для синего и зеленого. Это объясняется тем, что красные фотоны не обладают достаточной энергией, чтобы освободить электроны из атомов красных красителей в активном слое. Дополнительные 20 % красного света проходят сквозь окно и делают его и вид через него красным. Мы модифицировали активные слои, добавив в них третий краситель, электроны которого могут быть выбиты красными фотонами. Таким образом, нам удалось создать активные слои, T% которых составляет 60% для всех трех основных цветов (рис. 3A). Эти активные слои бесцветны, потому что они пропускают весь свет, который видят человеческие глаза, в одинаковом количестве, что делает график T% похожим на горизонтальную линию.
Однако даже при правильном сочетании трех основных цветов фактический T% для нашего солнечного окна составляет около 43%, поскольку компоненты в электродных слоях уменьшают количество пропускаемого света. T% обычных окон составляет около 70 %. Это означает, что наши солнечные окна будут выглядеть немного темнее, чем обычные окна (рис. 3B), но их преимущество в том, что они могут преобразовывать около 4% солнечного света, попадающего на них, в электричество!
Могут ли солнечные окна производить достаточно электроэнергии?
Когда мы подсчитываем, сколько электроэнергии мы используем или производим, мы используем единицу измерения под названием ватт (Вт), которая является мерой электрической мощности. Мощность, которую мы получаем от солнечного света на площади 1 м 2, составляет 1000 Вт. Наши солнечные окна обычно имеют высоту 1,9 м и ширину 1,3 м, и, как правило, они могут превратить 4% солнечной энергии в электричество. Давайте подсчитаем, сколько электричества может произвести одно солнечное окно:
Площадь окна: 1,9 м x 1,3 м = 2,47 м 2 (округлим до 2,5 м 2 ).
Используя площадь, солнечная энергия, получаемая одним окном, становится: 2,5 м 2 × 1 000 Вт/м 2 = 2 500 Вт.
Таким образом, электричество, производимое одним окном, составляет: 2 500 Вт × 4% = 2 500 Вт × 0,04 = 100 Вт
Телевизоры с плоским экраном потребляют около 90 Вт электроэнергии. Телефон можно зарядить с помощью 5 Вт, а планшет - с помощью 12 Вт. Для ноутбуков необходимо около 50 Вт. Таким образом, если у вас дома есть 1 телевизор, 2 ноутбука, 1 планшет и 2 телефона, вам потребуется: 90 Вт + (2 × 50 Вт) + 12 Вт + (2 × 5 Вт) = 212 Вт. С 3 солнечными окнами вы легко сможете использовать всю эту электронику одновременно! Но подождите... что, если ваша микроволновая печь потребляет 500 Вт? Это значит, что для ее работы потребуется 5 окон. Можно ли сделать солнечные окна мощностью 500 Вт? На данный момент сложно сделать 500-ваттные окна с T% более 40 %, то есть такие окна сделают ваш вид довольно темным. Сейчас мы тестируем новые красители, чтобы сделать окна мощностью 250 Вт с T% около 40%. С помощью всего двух таких окон мы сможем питать микроволновую печь мощностью 500 Вт!
Большинство людей обычно используют микроволновки в течение 5-10 минут каждый день, поэтому бывают случаи, когда наши солнечные окна производят больше электроэнергии, чем нужно. Батареи можно использовать для хранения избыточной электроэнергии для последующего использования. Если мы будем использовать солнечные окна и батареи вместе, то сможем обеспечить энергией всю электронику в наших домах. Электричество, хранящееся в батареях, можно также использовать для питания электроники ночью или при отсутствии солнечного света.
Резюме
Используя активные слои, содержащие три красителя, мы смогли изготовить солнечные окна, которые пропускают около 40% света, не изменяя цвета вида, на который вы смотрите. Каждое из этих окон может вырабатывать около 100 Вт, и мы работаем над тем, чтобы добиться большей мощности от одного окна. Органические солнечные окна дешевы и не мешают обзору, а значит, их можно устанавливать повсюду для питания электрооборудования. Поскольку наше общество использует все больше и больше электроэнергии, солнечные окна станут ключевой технологией, которая позволит нам обеспечить энергией наше современное общество, не создавая экологических проблем.
