Корпорация IBM (NYSE: IBM) объявила о том, что ее ученым удалось создать модуль солнечной батареи, у которого основной слой, поглощающий большую часть света для преобразования в электрический ток, полностью состоит из соединения распространенных и легкодоступных химических элементов. Это достижение, которое позволило установить новый мировой рекорд эффективности (КПД) солнечной батареи, подтверждает прогнозы, что технология солнечного электричества потенциально способна производить больше электроэнергии при меньших затратах. Солнечный элемент, содержащий медь (Cu), олово (Sn), цинк (Zn), серу (S) и/или селен (Se), демонстрирует коэффициент полезного действия в 9,6%, что на 40% выше предыдущего показателя, достигнутого для данного набора элементов. Стремясь добиться прорыва в исследованиях технологии солнечных батарей, IBM использует свои экспертные знания, опыт и ресурсы мирового класса в области микропроцессорных технологий, материалов и производственных процессов.
«Энергия, которую можно получить из излучения Солнца, поступающего на Землю в течение часа, превышает энергию, которую планета потребляет за год, однако вклад солнечной энергетики в общемировую систему снабжения электроэнергией составляет в настоящее время менее 0,1%, прежде всего из-за высокой стоимости, — пояснил доктор Дэвид Митци (David Mitzi), возглавляющий группу исследователей IBM Research, которые разработали новый солнечный элемент. — Поиск путей создания технологии солнечных батарей, которая по затратам в расчете на ватт сопоставима с традиционными способами выработки электроэнергии, и которая обладает потенциалом выхода на «тераваттный» уровень, стал главным направлением наших исследований, приблизившим нас к окончательному успешному решению проблемы».
Ученые IBM описали свое достижение в области тонкопленочной фотогальванической технологии в статье, опубликованной на этой неделе в журнале Advanced Materials, особо отметив потенциальные возможности солнечной энергетики по выработке дешевой электроэнергии в коммерческих масштабах.
Разработанный исследователями солнечный элемент также отличает от его предшественников то, что он был создан с использованием комбинации решений и подходов, основанных на наночастицах – в отличие от популярного, но дорогостоящего вакуумного метода. Технологические изменения позволят, как ожидается, значительно уменьшить производственные затраты, поскольку эти изменения согласуются с передовыми методами нанесения светопоглощающих слоев – такими как печать, покрытие, наносимое окунанием (погружением) и распылением, литье пленки – которые характеризуются высокой производительностью и высоким коэффициентом использования материалов.
Существующие в настоящее время тонкопленочные панели солнечных элементов, основанные на сложных полупроводниках, демонстрируют коэффициент полезного действия на уровне 9-11%. В этих элементах наиболее часто применяются два дорогостоящих химических соединения – селенид меди индия и галлия (copper indium gallium selenide) и теллурид кадмия (cadmium telluride). В результате предпринимавшихся попыток создания дешевых солнечных панелей на основе соединений, включающих широко распространенные на Земле химические элементы и не содержащих индия, галлия или кадмия, не удавалось превысить барьер КПД в 6,7% – в сравнении с новым, рекордным показателем эффективности в 9,6%, полученным специалистами IBM Research.
За последние несколько лет исследователи IBM добились целого ряда важных научных и технических достижений, связанных с созданием недорогих и эффективных элементов солнечных батарей. Компания не планирует выпускать солнечные батареи, но она открыта для партнерства с производителями солнечных элементов и готова продемонстрировать свои инновационные технологии.
CITForum.ru
17 февр. 2010 г.
15 февр. 2010 г.
Кремниевые стержни снизят стоимость солнечных элементов
Ученые из Калифорнийского технологического института разработали новый принцип создания гибких солнечных батарей с использованием всего 1% дорогостоящих полупроводниковых материалов по сравнению с традиционными панелями, который, к тому же, позволяет увеличить их эффективность, что можно использовать при создании нового поколения солнечных элементов, сообщается в статье исследователей, опубликованной журнале Nature Materials.
Обычно для производства солнечных элементов применяются пластины кремния с шероховатой поверхностью, которая позволяет им лучше улавливать лучи солнечного света, падающие на батарею под разными углами. Несмотря на то, что кремниевые пластины очень широко используются в современной микроэлектронике, их стоимость слишком высока для массового внедрения и коммерциализации солнечных батарей.
Группа ученых под руководством Гэри Этуотера (Harry Atwater) показала, что количество дорогостоящего полупроводника, необходимое для изготовления солнечной панели, можно сократить в 100 раз, если вместо пластин использовать кремниевые стерженьки микронных размеров. Это, по мнению ученых, позволит существенно снизить стоимость солнечных батарей.
Эти микростержни, называемые учеными вискерами (от англ whisker – волосок) с помощью современных технологий могут быть получены в больших количествах и выставлены на подложку из стекла или полимера вертикально. В своей работе авторы статьи использовали в качестве подложки гибкий полимер, так что их конечное изделие напоминает чем-то ковер.
Полученные исследователями кремниевые стержни имели диаметр в несколько микрометров и длину до 100 мкм. Для улучшения их характеристик использовалось просветляющее покрытие из нитрида кремния толщиной около 80 нм. Стержни заключались в слой светопроницаемого полимера полидиметилсилоксана, в который были введены частицы оксида алюминия Al2O3 диаметром менее 0,9 мкм. Эти частицы предназначены для рассеивания падающего излучения: если бы их не было, падающий сверху свет просто проникал бы в промежутки между стержнями и не поглощался ими. «Вряд ли кому-то понравится фотоэлемент, который не может работать в полдень», — поясняет Гарри Этуотер.
В экспериментах, результаты которых представлены на рисунке ниже, анализировались свойства массивов при падении на них излучения с длиной волны в диапазоне (400–1 150) нм. Ученые отмечают, что в ближнем ИК-диапазоне созданные ими устройства по своим поглощающим свойствам превосходят кремниевые пластины.
Теперь ученым предстоит продемонстрировать эффективность своего подхода на примере полноразмерного устройства и показать, что их гибкие солнечные панели действительно существенно дешевле своих традиционных аналогов в производстве, и могут использоваться в массе приложений, и встраиваться в самые разные конструкции, от кузовов автомобилей до элементов одежды. Технология создания таких солнечных элементов уже отработана: недавно, к примеру, свой вариант, построенный на базе нанопроводов из более дорогого арсенида галлия, представила исследовательская группа из Санкт-Петербурга (см. http://springerlink.com/content/4687h04q51l75620/fulltext.pdf - статью в журнале Nanoscale Research Letters).
Nanonewsnet.ru
Обычно для производства солнечных элементов применяются пластины кремния с шероховатой поверхностью, которая позволяет им лучше улавливать лучи солнечного света, падающие на батарею под разными углами. Несмотря на то, что кремниевые пластины очень широко используются в современной микроэлектронике, их стоимость слишком высока для массового внедрения и коммерциализации солнечных батарей.
Группа ученых под руководством Гэри Этуотера (Harry Atwater) показала, что количество дорогостоящего полупроводника, необходимое для изготовления солнечной панели, можно сократить в 100 раз, если вместо пластин использовать кремниевые стерженьки микронных размеров. Это, по мнению ученых, позволит существенно снизить стоимость солнечных батарей.
Массив стержней, заключенных в слое полимера.
В верхней части изображения показано распределение
частиц оксида алюминия в полидиметилсилоксане
Эти микростержни, называемые учеными вискерами (от англ whisker – волосок) с помощью современных технологий могут быть получены в больших количествах и выставлены на подложку из стекла или полимера вертикально. В своей работе авторы статьи использовали в качестве подложки гибкий полимер, так что их конечное изделие напоминает чем-то ковер.
Полученные исследователями кремниевые стержни имели диаметр в несколько микрометров и длину до 100 мкм. Для улучшения их характеристик использовалось просветляющее покрытие из нитрида кремния толщиной около 80 нм. Стержни заключались в слой светопроницаемого полимера полидиметилсилоксана, в который были введены частицы оксида алюминия Al2O3 диаметром менее 0,9 мкм. Эти частицы предназначены для рассеивания падающего излучения: если бы их не было, падающий сверху свет просто проникал бы в промежутки между стержнями и не поглощался ими. «Вряд ли кому-то понравится фотоэлемент, который не может работать в полдень», — поясняет Гарри Этуотер.
В экспериментах, результаты которых представлены на рисунке ниже, анализировались свойства массивов при падении на них излучения с длиной волны в диапазоне (400–1 150) нм. Ученые отмечают, что в ближнем ИК-диапазоне созданные ими устройства по своим поглощающим свойствам превосходят кремниевые пластины.
Определенные при разных углах падения излучения характеристики массивов. Левый и правый столбцы соответствуют разным подложкам, на которых размещались образцы
Теперь ученым предстоит продемонстрировать эффективность своего подхода на примере полноразмерного устройства и показать, что их гибкие солнечные панели действительно существенно дешевле своих традиционных аналогов в производстве, и могут использоваться в массе приложений, и встраиваться в самые разные конструкции, от кузовов автомобилей до элементов одежды. Технология создания таких солнечных элементов уже отработана: недавно, к примеру, свой вариант, построенный на базе нанопроводов из более дорогого арсенида галлия, представила исследовательская группа из Санкт-Петербурга (см. http://springerlink.com/content/4687h04q51l75620/fulltext.pdf - статью в журнале Nanoscale Research Letters).
Nanonewsnet.ru
14 февр. 2010 г.
Энергосберегающие технологии для чипов
На очередной ежегодной международной конференции по твердотельным электронным схемам (International Solid State Circuits Conference, ISSCC) ряд участников отрасли представили свои разработки, позволяющие сократить уровень энергопотребления чипов. Среди них – Toshiba, ARM, Intel, NTT, Qualcomm и другие.
Решения Toshiba предназначены для создания усовершенствованных блоков статической памяти с произвольным доступом (static random access memories, SRAM), способных стабильно работать при пониженном напряжении питания. По данным Toshiba, предложенная ей усовершенствованная технология изготовления схем SRAM с пониженным напряжением питания позволяет решить наиболее актуальную для данного класса устройств проблему, снизив интенсивность ошибок при питающем напряжении 0,7 В на четыре порядка. Компания заявила, что разработанный ей дизайн SRAM готов для применения в системах автоматизированного проектирования чипов, что позволит производителям микросхем сократить время на разработку и подготовку продукции к выпуску.
ARM сосредоточилась на технике, позволяющей оптимизировать работу построенных на базе ее архитектуры чипов, и снизить потребляемую мощность вдвое, согласно заявлениям компании. Исследователи из ARM и Университета Мичигана представили гибридную технику динамического обнаружения и коррекции ошибок, получившую название Razor, благодаря которой, как заявлено, удалось добиться 52% снижения потребляемой мощности для 65-нм ARM-архитектуры, работающей на частоте более 1 ГГц. Описание характеризует Razor как сочетание схем обнаружения временных ошибок, механизмов коррекции ошибок и оптимизации напряжения и частот. Сообщается, что в отличие от других решений аналогичного назначения, системы с использованием Razor способны «выживать» при быстро изменяющихся параметрах окружения, адаптируясь к превалирующим условиям, что позволяет задействовать избыточные на текущий момент резервные ресурсы.
Документы, представленные на конференции компанией Intel, описывают решения, позволяющие на 12-23% снизить энергопотребление 45-нм 1,3 ГГц микропроцессорного ядра, используя схемы обнаружения ошибок, настраиваемые копии электрических цепей и схемы коррекции ошибок, предназначенные для смягчения динамически изменяемых защитных полос частот.
Исследователи из NTT представили 90-нм двухъядерный сетевой процессор, разработанный под техпроцесс CMOS и способный работать в качестве шлюза с полосой пропускания 2 Гбит/с, с поддержкой функций безопасности и фильтрации пакетов. Заявлено, что благодаря переносу значительной части операций по обработке пакетов на специализированную подсистему, уровень энергопотребления чипа не будет превышать 24 мВт.
3DNews
Решения Toshiba предназначены для создания усовершенствованных блоков статической памяти с произвольным доступом (static random access memories, SRAM), способных стабильно работать при пониженном напряжении питания. По данным Toshiba, предложенная ей усовершенствованная технология изготовления схем SRAM с пониженным напряжением питания позволяет решить наиболее актуальную для данного класса устройств проблему, снизив интенсивность ошибок при питающем напряжении 0,7 В на четыре порядка. Компания заявила, что разработанный ей дизайн SRAM готов для применения в системах автоматизированного проектирования чипов, что позволит производителям микросхем сократить время на разработку и подготовку продукции к выпуску.
ARM сосредоточилась на технике, позволяющей оптимизировать работу построенных на базе ее архитектуры чипов, и снизить потребляемую мощность вдвое, согласно заявлениям компании. Исследователи из ARM и Университета Мичигана представили гибридную технику динамического обнаружения и коррекции ошибок, получившую название Razor, благодаря которой, как заявлено, удалось добиться 52% снижения потребляемой мощности для 65-нм ARM-архитектуры, работающей на частоте более 1 ГГц. Описание характеризует Razor как сочетание схем обнаружения временных ошибок, механизмов коррекции ошибок и оптимизации напряжения и частот. Сообщается, что в отличие от других решений аналогичного назначения, системы с использованием Razor способны «выживать» при быстро изменяющихся параметрах окружения, адаптируясь к превалирующим условиям, что позволяет задействовать избыточные на текущий момент резервные ресурсы.
Документы, представленные на конференции компанией Intel, описывают решения, позволяющие на 12-23% снизить энергопотребление 45-нм 1,3 ГГц микропроцессорного ядра, используя схемы обнаружения ошибок, настраиваемые копии электрических цепей и схемы коррекции ошибок, предназначенные для смягчения динамически изменяемых защитных полос частот.
Исследователи из NTT представили 90-нм двухъядерный сетевой процессор, разработанный под техпроцесс CMOS и способный работать в качестве шлюза с полосой пропускания 2 Гбит/с, с поддержкой функций безопасности и фильтрации пакетов. Заявлено, что благодаря переносу значительной части операций по обработке пакетов на специализированную подсистему, уровень энергопотребления чипа не будет превышать 24 мВт.
3DNews
Начались испытания сверхпроводящих токоограничителей
Сверхпроводимость открыта почти сто лет назад, но до сих пор ее применяли лишь в установках научно-исследовательского назначения. Теперь же на электростанции Боксберг начались испытания сугубо технического устройства.
С тех пор, как было открыто явление сверхпроводимости, прошло почти 100 лет, однако действительно широкого применения в технике оно до сих пор не нашло. Напомню, что сверхпроводимостью называют способность некоторых веществ при охлаждении ниже определенной температуры, именуемой критической температурой перехода, практически полностью утрачивать электрическое сопротивление и проводить электрический ток без каких-либо потерь.
Металлооксидная керамика - высокотемпературный сверхпроводник
На протяжении долгих десятилетий науке были известны только сверхпроводники с крайне низкими критическими температурами перехода, лишь незначительно превышающими абсолютный нуль. Даже у технеция, имеющего самую высокую среди чистых металлов критическую температуру перехода, она составляет всего лишь 11,2 градуса Кельвина. А ведь получение и поддержание столь низких температур с использованием очень капризного в эксплуатации жидкого гелия - дело не только сложное, но и чрезвычайно дорогостоящее. Поэтому о практическом применении сверхпроводимости в технических устройствах долгое время не могло быть и речи.
Однако в 1986 году был открыт новый класс соединений, способных переходить в сверхпроводящее состояние при значительно более высоких температурах. Синтезированная исследователями керамика из атомов кислорода, меди, бария и лантана, в обычных условиях вообще не проводящая электрический ток, обретала сверхпроводимость при температуре 58 градусов Кельвина. Годом позже, заменив в составе этой же керамики лантан на иттрий, ученые получили и вовсе сенсационный результат - 92 градуса Кельвина. С тех пор получены и другие, еще более высокотемпературные сверхпроводники с критическими температурами перехода, намного превышающими температуру кипения жидкого азота. Именно это обстоятельство и делает их перспективными в плане практического применения, поскольку жидкий азот прост в обращении и несравненно дешевле, чем жидкий гелий.
То лучше, чем у меди, то как у кирпича
И вот теперь в Саксонии, на электростанции Боксберг, начались первые полевые испытания так называемых токоограничивающих выключателей, основанных на явлении высокотемпературной сверхпроводимости. Электростанция Боксберг работает на буром угле. Масштабы предприятия впечатляют: в среднем, здесь сжигается 27 тысяч тонн угля в сутки - это содержимое 350 железнодорожных вагонов. А рядом с гигантскими энергоблоками за отдельной оградой установлен ничем вроде бы не примечательный серебристый контейнер весьма скромных размеров.
"В его передней стенке имеются три оконных проема, и сквозь них хорошо видны наши криостаты - три штуки, - поясняет Йоахим Бок (Joachim Bock), сотрудник концерна Nexans, производителя испытуемого оборудования. - Криостаты - это что-то вроде очень хороших термосов, и в них расположены наши сверхпроводящие элементы из металлооксидной керамики, охлаждаемые до температуры минус 200 градусов Цельсия".
Идея, положенная в основу таких токоограничивающих выключателей, очень проста: в случае короткого замыкания происходит резкий нагрев проводника, состояние сверхпроводимости мгновенно исчезает, сопротивление скачком возрастает в миллионы раз. Йоахим Бок описывает это так: "Только что электропроводность кабеля была лучше, чем у меди, а уже в следующее мгновение она такая же, как у кирпича".
Высокий спрос... в среднесрочной перспективе
Такой выключатель предохраняет от аварийного разрушения все последующие компоненты электростанции - от кабелей до распределительных устройств. По словам Томаса Крюгера (Thomas Krger), сотрудника энергетического концерна Vattenfall, которому принадлежит электростанция Боксберг, это своего рода предохранитель, но только он не совсем прерывает подачу тока, а снижает ее до безопасного уровня.
"Тем самым мы можем проектировать распределительные устройства и прочее оборудование, рассчитанные на значительно меньшие токи короткого замыкания, - продолжает Крюгер, - а это позволит сэкономить немало средств".
Токоограничивающие выключатели обретают особо важное значение для электростанций следующего поколения, в которых предусмотрено отделение углекислого газа и закачивание его под давлением под землю. "Расход энергии на собственные нужды электростанции вырастет, - поясняет Томас Крюгер, - а это потребует новых распределительных устройств, реализовать которые на основе традиционной технологии едва ли удастся".
По мнению Йоахима Бока, сверхпроводящие токоограничивающие выключатели найдут широкое применение не только на электростанциях, но и в электрических сетях: "Распределительные устройства в некоторых странах Европы, например, в Великобритании, работают практически на пределе своих возможностей. Это исключает оптимальное использование возобновляемых энергоресурсов. Так, подключение ветрогенераторов зачастую невозможно, потому что это чревато превышением мощности короткого замыкания нынешних сетей. Мы полагаем, что в среднесрочной перспективе наши изделия окажутся востребованными и в этой сфере".
Конечно, при условии, что испытания в Саксонии пройдут успешно. Они продлятся ровно год.
ZakarpatPost.net
С тех пор, как было открыто явление сверхпроводимости, прошло почти 100 лет, однако действительно широкого применения в технике оно до сих пор не нашло. Напомню, что сверхпроводимостью называют способность некоторых веществ при охлаждении ниже определенной температуры, именуемой критической температурой перехода, практически полностью утрачивать электрическое сопротивление и проводить электрический ток без каких-либо потерь.
Металлооксидная керамика - высокотемпературный сверхпроводник
На протяжении долгих десятилетий науке были известны только сверхпроводники с крайне низкими критическими температурами перехода, лишь незначительно превышающими абсолютный нуль. Даже у технеция, имеющего самую высокую среди чистых металлов критическую температуру перехода, она составляет всего лишь 11,2 градуса Кельвина. А ведь получение и поддержание столь низких температур с использованием очень капризного в эксплуатации жидкого гелия - дело не только сложное, но и чрезвычайно дорогостоящее. Поэтому о практическом применении сверхпроводимости в технических устройствах долгое время не могло быть и речи.
Однако в 1986 году был открыт новый класс соединений, способных переходить в сверхпроводящее состояние при значительно более высоких температурах. Синтезированная исследователями керамика из атомов кислорода, меди, бария и лантана, в обычных условиях вообще не проводящая электрический ток, обретала сверхпроводимость при температуре 58 градусов Кельвина. Годом позже, заменив в составе этой же керамики лантан на иттрий, ученые получили и вовсе сенсационный результат - 92 градуса Кельвина. С тех пор получены и другие, еще более высокотемпературные сверхпроводники с критическими температурами перехода, намного превышающими температуру кипения жидкого азота. Именно это обстоятельство и делает их перспективными в плане практического применения, поскольку жидкий азот прост в обращении и несравненно дешевле, чем жидкий гелий.
То лучше, чем у меди, то как у кирпича
И вот теперь в Саксонии, на электростанции Боксберг, начались первые полевые испытания так называемых токоограничивающих выключателей, основанных на явлении высокотемпературной сверхпроводимости. Электростанция Боксберг работает на буром угле. Масштабы предприятия впечатляют: в среднем, здесь сжигается 27 тысяч тонн угля в сутки - это содержимое 350 железнодорожных вагонов. А рядом с гигантскими энергоблоками за отдельной оградой установлен ничем вроде бы не примечательный серебристый контейнер весьма скромных размеров.
"В его передней стенке имеются три оконных проема, и сквозь них хорошо видны наши криостаты - три штуки, - поясняет Йоахим Бок (Joachim Bock), сотрудник концерна Nexans, производителя испытуемого оборудования. - Криостаты - это что-то вроде очень хороших термосов, и в них расположены наши сверхпроводящие элементы из металлооксидной керамики, охлаждаемые до температуры минус 200 градусов Цельсия".
Идея, положенная в основу таких токоограничивающих выключателей, очень проста: в случае короткого замыкания происходит резкий нагрев проводника, состояние сверхпроводимости мгновенно исчезает, сопротивление скачком возрастает в миллионы раз. Йоахим Бок описывает это так: "Только что электропроводность кабеля была лучше, чем у меди, а уже в следующее мгновение она такая же, как у кирпича".
Высокий спрос... в среднесрочной перспективе
Такой выключатель предохраняет от аварийного разрушения все последующие компоненты электростанции - от кабелей до распределительных устройств. По словам Томаса Крюгера (Thomas Krger), сотрудника энергетического концерна Vattenfall, которому принадлежит электростанция Боксберг, это своего рода предохранитель, но только он не совсем прерывает подачу тока, а снижает ее до безопасного уровня.
"Тем самым мы можем проектировать распределительные устройства и прочее оборудование, рассчитанные на значительно меньшие токи короткого замыкания, - продолжает Крюгер, - а это позволит сэкономить немало средств".
Токоограничивающие выключатели обретают особо важное значение для электростанций следующего поколения, в которых предусмотрено отделение углекислого газа и закачивание его под давлением под землю. "Расход энергии на собственные нужды электростанции вырастет, - поясняет Томас Крюгер, - а это потребует новых распределительных устройств, реализовать которые на основе традиционной технологии едва ли удастся".
По мнению Йоахима Бока, сверхпроводящие токоограничивающие выключатели найдут широкое применение не только на электростанциях, но и в электрических сетях: "Распределительные устройства в некоторых странах Европы, например, в Великобритании, работают практически на пределе своих возможностей. Это исключает оптимальное использование возобновляемых энергоресурсов. Так, подключение ветрогенераторов зачастую невозможно, потому что это чревато превышением мощности короткого замыкания нынешних сетей. Мы полагаем, что в среднесрочной перспективе наши изделия окажутся востребованными и в этой сфере".
Конечно, при условии, что испытания в Саксонии пройдут успешно. Они продлятся ровно год.
ZakarpatPost.net
Подписаться на:
Сообщения (Atom)
