Исследователи из университета ИТМО создали оптические люминесцентные стёкла, излучающие видимый свет под действием ультрафиолета. Благодаря этому свойству новый материал может быть полезен в энергетике для увеличения эффективности и срока службы солнечных батарей: энергия ультрафиолетового излучения, которая сама по себе оказывает разрушительное влияние на солнечный модуль, будет преобразовываться и использоваться для дополнительной подзарядки. Стекла просты в изготовлении и могут также найти применение в производстве более «долгоиграющих» белых светодиодов с лучшей цветопередачей. Исследование опубликовано в издании Journal of Luminescence.
Ультрафиолет и пыль снижают рабочие характеристики кремниевых солнечных батарей. Для защиты от этих негативных факторов используют стеклянные экраны. Но, если батарею накрывать не обычным стеклом, а люминесцентным (светящимся в результате поглощения УФ излучения), можно не только защитить её от механических загрязнений, но и заметно выиграть в количестве света, попадающем в конечном итоге на поверхность батареи.
Оптический материал, созданный в Международной лаборатории «Современные фотонные материалы и технологии» Университета ИТМО, поглощает ультрафиолетовое излучение и преобразует его в свет видимого диапазона. Поэтому вместо того, чтобы разрушать солнечную батарею, энергия ультрафиолета может использоваться для преобразования в электрическую. Количество «правильного» света, падающего на батарею, увеличивается, следовательно, растёт и её коэффициент полезного действия (КПД).
На сегодняшний день КПД солнечных батарей невысок — около 20%, но его можно значительно повысить, если использовать люминесцентные защитные стекла с высокой эффективностью преобразования света.
«Нам удалось увеличить эффективность трансформации ультрафиолета в стёклах до 30%, что сопоставимо с передовыми результатами в этой области. При этом мы уже занимаемся оптимизацией разработанной технологии и в скором времени планируем увеличить квантовый выход ещё в 2 раза. Стёкла с такими характеристиками смогут найти уже реальные приложения», — рассказывает ведущий автор статьи, сотрудник Международной лаборатории «Современные фотонные материалы и технологии» Евгений Сгибнев.
Учёные также предполагают, что изготовление белых светодиодов из люминесцентного стекла станет серьёзным шагом вперёд в производстве осветительной техники. Сегодня, чтобы получить белый свет, производители идут на хитрость: на синий светодиод наносят жёлтый люминофор (полимерное покрытие, наполненное светящимися частицами). Цвета смешиваются и дают почти белый свет. Тем не менее, в подобных устройствах цветопередача искажена. Кроме того, люминофор быстро выходит из строя, поскольку работа светодиода связана с частыми перегревами, из-за которых полимер начинает деградировать.
Стекло, напротив, не боится высоких температур и неблагоприятных погодных условий, а благодаря специальной технологии, которую использовали учёные, люминесцирующие частицы находятся прямо внутри него, обеспечивая лучшую цветопередачу и долговечность материала.
«Осветительные устройства из люминесцентного стекла можно устанавливать на стадионах, автострадах, в аэропортах, концертных залах. Сейчас светодиоды требуют замены раз в полгода, но, если изготовлять их по нашей технологии, они будут жить в десятки раз дольше, тем самым существенно сокращая расходы на замену освещения», — отмечает Николай Валентинович Никоноров, директор НИИ нанофотоники и оптоинформатики, заведующий кафедрой оптоинформационных технологий и материалов Университета ИТМО.
Преимущество нового материала также в простоте его получения. Стекло варят при температуре 1500 градусов по Цельсию, потом формуют. Чтобы стекло светилось под действием УФ, в него нужно ввести ионы серебра, а затем сгруппировать их в кластеры определённого размера. Поэтому далее идёт стадия ионного обмена: стекло погружают в расплав соли серебра при 320 °C, и ионы серебра проникают в стекло, заменяя ионы натрия. Так, высокие концентрации ионов серебра оказываются внутри поверхностного слоя стекла в несколько микрометров. Кстати, технология ионного обмена широко используется в производстве защитных стёкол смартфонов (знаменитое Corning Gorilla Glass) или упрочнения бутылок для шампанского. Только вместо серебра применяют ионы калия.
Чтобы придать стеклу люминесцентные свойства, в его состав обязательно должен входить оксид церия, но в малых количествах. Церий способен отдавать свой электрон серебру, тем самым превращая ионы серебра в атомы, необходимые для сборки кластеров. Без церия люминесцентные свойства стекло не проявляет.
Последняя стадия получения люминесцентного стекла — термообработка. Она необходима для того, чтобы ионы серебра собрались в кластеры, причём строго определённого размера. Так как речь идёт о наномасштабе, незначительная разница в размерах вызывает большое различие в свойствах. Поверхность стекла излучает интенсивный видимый свет, только если в кластер входят 2—4 атома серебра. Кластеры из большего количества атомов могут вовсе не обладать люминесцентными свойствами или излучать инфракрасный свет, который можно использовать для зарядки только определённых типов солнечных батарей. Процесс кластеризации довольно сложно контролировать, поэтому люминесцентный защитный экран и солнечную батарею следует разрабатывать совместно.
