Имитируя микроскопическую структуру крыла бабочки, группа исследователей разработала более эффективный солнечный элемент.
Привычным зрелищем в лесах и на лугах Индии является бабочка парусник кирказоновый. Известный своими бархатными черными крыльями, ярким телом и хвостом, парусник кирказоновый проводит свой день, собирая нектар с цветов наподобие цинний и пентаса ланцетовидного. Но скоро эта бабочка может прославиться еще кое-чем, сделав наши солнечные батареи более эффективными.
«Я был на одной конференции, и кто-то рассказывал о бабочках и их наноструктурах, и меня это заинтриговало», — говорит Радванул Сиддик, автор доклада, опубликованного в журнале Science Advances. Эти наноструктуры вдохновили Сиддика на создание нового типа солнечных элементов, которые могут поглощать больше света, чем традиционные солнечные панели.
«Многие насекомые имеют структурную окраску, при которой их цвета формируются наноструктурами», — говорит Сиддик. Например, ярко-голубые и зеленые цвета многих бабочек рода Морфо вызваны крошечными древовидными формами в крыльях менее миллиметра в ширину. Эти наноструктуры поглощают и отражают волны разной длины под разными углами, поэтому кажется, что бабочка мерцает и меняет цвета в воздухе.
Бабочка парусник кирказоновый использует похожий прием. Ее бархатные черные крылья имеют такую окраску благодаря микроскопическим отверстиям, которые поглощают и удерживают свет, придавая черному цвету более насыщенный оттенок, чем было бы возможно в противном случае. И для такого инженера, как Сиддик, который работает с солнечными элементами, структура, поглощающая большее количество света, — это то, что нужно.
Сиддик и его коллеги изучили наноструктуры парусника кирказонового под растровым электронным микроскопом и попытались воссоздать их в солнечном элементе. Добавлением микроскопических отверстий в элемент команда Сиддика значительно увеличила его эффективность.
Так почему же добавление крохотных отверстий делает солнечные панели лучше? Главным образом потому, что эти отверстия резко увеличивают поглощение под острыми углами. Большинство солнечных панелей должны быть направлены прямо на солнце, для того чтобы генерировать максимальное количество энергии. Когда они отклонены в сторону, они намного менее эффективны. Благодаря этим крохотным отверстиям солнечные элементы Сиддика улавливают свет, падающий под острым углом, примерно в три раза эффективнее.
Это может быть отличной новостью для владельцев домов с солнечными батареями на крышах. Установленные там панели часто зафиксированы, что означает, они могут генерировать много энергии только несколько часов в день. С разработкой Сиддика их батареи смогли бы производить больше энергии в течение всего светового дня.
А если вы думаете, что добавление большого количества крохотных отверстий в солнечные панели не может быть дешевым, парусник кирказоновый подскажет, как решить и эту проблему. В конце концов, бабочка создает отверстия в своих крыльях достаточно легко, и Сиддик со своей командой позаимствовали ее метод для своей работы.
Все, что бабочка должна сделать для создания своих наноструктур — это соединить несколько белков вместе. Благодаря химическому взаимодействию эти белки автоматически формируются в правильную наноструктуру. Команда Сиддика синтезировала искусственные версии этих белков и внедрила их в солнечные элементы, получив дешевый и масштабируемый способ производства более эффективных солнечных элементов.
Если повезет, потребуется несколько лет разработки, чтобы начать установку солнечных панелей с дизайном Сиддика на крыши по всему миру.