Применение тонких пленок для создания экологически чистых технологий

Одно из наиболее широких применений тонкопленочных технологий - это преобразование солнечной энергии в электричество. Ранее тонкопленочная технология была коммерциализирована производителями калькуляторов, и теперь она начинает вытеснять кристаллические фотоэлектрические солнечные элементы в крупномасштабном производстве электричества

Тонкопленочные технологии - использование материалов толщиной от нескольких микрометров до долей нанометра - все больше становятся основным направлением научных и технологических подходов в борьбе с антропогенным влиянием на изменение климата. В настоящее время уже используется или разрабатывается ряд экологически чистых технологий с использованием тонких пленок, от тонкопленочных биофильтров и батарей до фотоэлектрических элементов.

Тонкопленочные биофильтры

Одним из основных факторов вреда окружающей среде всегда были отходы или аварийная утечка токсичных веществ в результате различных промышленных и производственных процессов, а также некоторых естественных явлений.

Выбросы мышьяка в качестве побочного продукта являются частью добычи полезных ископаемых, используемых при производстве табака, консервантов и пестицидов. Кроме этого, этот яд естественным образом попадает в окружающую среду в результате вулканической активности планеты.

При высвобождении мышьяк может легко проникать в грунтовые воды и загрязнять их, а оттуда попадать в питьевую воду и некоторые продукты питания. Он очень токсичен для людей и животных даже при низких концентрациях.

Не так давно был разработан инструмент, называемый биоремедиацией, на основе тонкопленочной технологии, способный снизить вред окружающей среде. Метод включает в себя использование устойчивых к мышьяку бактерий (Ochrobactrum trittici SCII24T), проведение их генетической модификации и нанесения на тонкую пленку из полимера (тетрафторэтилена) для захвата частиц мышьяка до того, как они попадут в грунтовые воды.

Тонкопленочные урановые биофильтры используют аналогичного процесс, связанный с бактериями Rhodanobacter A261. Урановые выбросы могут происходить при добыче полезных ископаемых, не только загрязняя воду, но и влияя на местную геологию. Урановый биофильтр, например, был установлен на заводе по очистке сточных вод в Португалии, который улавливает выбросы урана из близлежащего уранового рудника.

Технология тонкопленочных батарей

Технология, использующая тонкие пленки, может применяться для хранения энергии, крайне востребованного процесса в области возобновляемых источников энергии. Тонкопленочные аккумуляторы, изготовленные из твердотельных литий-ионных аккумуляторов, гибкие, их толщина составляет всего несколько микрон, и их можно наносить на доступную поверхность любой площади.

Широкое применение этой технологии в настоящее время ограничено относительно небольшими фактическими размерами и емкостью тонкопленочных батарей. Однако некоторые новые их применения для функционирования микрочипов или микроскопических электронных компонентов уже видны на горизонте.

Например, можно значительно повысить автоматизацию производственных процессов (например, производство возобновляемой энергии на крупных морских ветряных или солнечных электростанциях в отдаленных пустынях), повысив их эффективность, если каждый компонент энергетической системы будет оснащен микрочипом с питанием от тонкопленочной батареи. Это позволило бы всей системе собирать входные данные о неисправностях или сбоях в работе оборудования, и передавать их в систему автоматизированного диспетчерского управления и сбора данных, чтобы получать выходные инструкции для исправления ошибок и обеспечения максимальной эффективности работы энергосистемы.

В дополнение к этому, тонкопленочные батареи могут служить источником энергии для огромного объема «интернета вещей» (IoT), управляемого современными компьютерами - например, квантовым компьютером будущего - который будет связывать все энергопотребляющие устройства, процессы генерации энергии и энергораспределительные сети до уровеня отдельных компонентов. Это может значительно повысить эффективность функционирования таких систем, позволяя людям вести современный образ жизни, не разрушая планету.

Тонкопленочная фотогальваника

Одно из наиболее широких применений тонкопленочных технологий - это преобразование солнечной энергии в электричество. Ранее тонкопленочная технология была коммерциализирована производителями калькуляторов, и теперь она начинает вытеснять кристаллические фотоэлектрические солнечные элементы в крупномасштабном производстве электричества.

Производство тонкопленочных фотоэлектрических элементов происходит намного более экологичным способом, чем традиционных кристаллических элементов, с гораздо меньшим потреблением энергии и исходного сырья. Процесс производства тонких пленок более безопасен для сотрудников предприятий и окружающей среды, поскольку для него не требуется использование токсичных химикатов, таких как плавиковая или соляная кислота.

Однако производство тонкопленочных фотоэлектрических элементов по-прежнему является дорогостоящим процессом с точки зрения потребления энергии и ресурсов, в котором может потребоваться использование таких токсичных материалов, как кадмий, или редкоземельных химических элементов, как теллур. Тем не менее эта технология совершенствуется и с каждым годом становится все лучше.

Эффективность преобразования солнечной энергии при использовании тонкопленочных солнечных элементов близка к аналогичным кристаллическим. Стоит отметь, что пленки на основе арсенида галлия недавно достигли уровня преобразования солнечной энергии в 28,8%.

Источник: AZoCleantech