Металл-оксидные наноструктуры улавливают 99,5 % солнечного света — новый рекорд для покрытий приёмников концентрированных солнечных электростанций. Исследователи из Университета Страны Басков и Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали вертикальные наноиглы из кобальт-медного сплава с оболочкой из оксида цинка, которые превзошли предыдущий эталон — углеродные нанотрубки — на 0,8 процентных пункта. Результаты опубликованы в журнале Applied Materials & Interfaces.

Ключевое преимущество материала — термостойкость. Наноиглы сохранили 97,8 % поглощения после 1200 часов работы при 750 °C. Углеродные нанотрубки деградировали до 94,1 % за 500 часов при той же температуре. Для станций, работающих с расплавленными солями при 565–800 °C, это обеспечивает срок службы покрытия более 15 лет без замены против 2–3 лет для углеродных структур.

Как работает геометрия многократного рассеяния

Вертикально ориентированные структуры диаметром 100–300 нм формируют плотный массив на поверхности приёмника. Представьте густой лес из металлических игл высотой с бактерию, где расстояние между стволами — треть толщины человеческого волоса. Фотон, попадающий в такую структуру, совершает серию переотражений между иглами, теряя энергию на каждом взаимодействии с материалом.

Металлическое ядро из кобальт-медного сплава и полупроводниковая оболочка из оксида цинка поглощают широкий спектральный диапазон: от ультрафиолетовой области (300 нм) до ближней инфракрасной (2500 нм), где сосредоточено 99 % энергии солнечного спектра.

Спектрофотометрия с интегрирующей сферой (метод измерения отражённого света во всех направлениях) показала: поглощение наноигл превышает 97 % на всём диапазоне 300–2500 нм. Углеродные нанотрубки снижают эффективность до 94–96 % в ближней инфракрасной области (1500–2500 нм). Коэффициент излучения в тепловом инфракрасном спектре (3000–15 000 нм) составил 0,12–0,15 против 0,18–0,20 у чёрного кремния — это минимизирует радиационные потери тепла при высоких температурах на 20–25 %.

Числовое сравнение: три материала под давлением температуры

Исследователи протестировали три типа покрытий в идентичных условиях. Вертикально ориентированные углеродные нанотрубки показали 98,7 % поглощения при 25 °C. После 500 часов при 750 °C их эффективность упала до 94,1 %. Чёрный кремний достиг 97,2 % при комнатной температуре. Термоциклирование снизило показатель до 89,3 % из-за окисления поверхности. Металл-оксидные наноиглы продемонстрировали 99,5 % при старте и сохранили 97,8 % после 1200 часов термических испытаний.

Дополнительный цикл имитировал прибрежный климат с повышенной влажностью: 650 °C, водяной пар с относительной влажностью 60 %, аэрозоль хлорида натрия, 800 циклов нагрева-охлаждения по 8 часов каждый. Углеродные нанотрубки деградировали на 7,3 % после 200 циклов. Наноиглы — на 1,8 % после полного теста. Микроскопический анализ выявил точечную коррозию на углеродных структурах. Оксид цинка сформировал пассивирующий слой, который предотвратил окисление металлического ядра.

Энергетический контекст: как работают солнечные башни

В Испании 50 концентрированных солнечных электростанций суммарной мощностью 2,3 ГВт обеспечивают около 5 % национальной генерации электроэнергии. В отличие от фотоэлектрических панелей, эти системы не преобразуют свет напрямую. Поле гелиостатов (зеркал) фокусирует излучение на центральную башню-приёмник. Покрытие нагревает теплоноситель до 565 °C. Расплавленные соли (смесь нитратов натрия и калия) накапливают тепло. Турбины работают 8–15 часов после захода солнца.

Эффективность поглощения определяет экономику всей установки. Повышение с 95 % до 99,5 % увеличивает годовую выработку на 4,5 %. При текущих 2,3 ГВт мощности в Испании это даёт дополнительные 180–220 ГВт·ч в год — потребление города с населением 70 000–85 000 человек. Сокращение выбросов CO₂ составляет 95 000–110 000 тонн при замещении генерации на газе. Для новых проектов высокая эффективность сокращает площадь зеркального поля на 3,5–4,2 %. Это снижает требования к земельным участкам — критический фактор в регионах с высокой стоимостью территории.

Производственная экономика: стоимость против долговечности

Наноиглы формируются методом химического осаждения из газовой фазы (CVD — процесс нанесения тонких плёнок из газообразных реагентов) с последующим окислением в контролируемой атмосфере. Процесс занимает 8–12 часов на покрытие одного квадратного метра приёмника. Углеродные нанотрубки требуют 15–20 часов и вакуумного оборудования. Ориентировочная себестоимость металл-оксидного покрытия составляет €180–220 (≈16 500–20 000 ₽) за м². Для углеродных структур — €320–380 (≈29 000–35 000 ₽).

Типичная башня-приёмник имеет поглощающую поверхность 400–600 м². Разница в затратах на материалы достигает €80 000–100 000 (≈7,4–9,2 млн ₽) на одну станцию. Увеличенный срок службы снижает эксплуатационные расходы на 12–15 % за жизненный цикл установки. Замена покрытия каждые 15 лет вместо 2–3 лет устраняет повторные остановы для обслуживания. Это исключает связанные с ними потери выработки.

Методология эксперимента: контроль переменных

Команда использовала солнечный симулятор класса AAA с ксеноновой лампой мощностью 2,5 кВт. Устройство воспроизводит спектр AM1.5G — стандарт, соответствующий инсоляции при угле падения солнечных лучей 48,2°. Образцы размером 5×5 см облучались плотностью 1000 Вт/м². Это эквивалент ясного полуденного солнца на экваторе. Температурный контроль осуществлялся трёхзонной резистивной печью с точностью ±2 °C.

Измерение коэффициента поглощения проводилось спектрофотометром с интегрирующей сферой в диапазоне 250–2500 нм с шагом 5 нм. Погрешность измерений не превышала 0,3 % в видимом диапазоне и 0,5 % в инфракрасной области. Все образцы проходили идентичные циклы термообработки для исключения влияния внешних переменных на сравнительные результаты.

Глобальная карта технологии: где строят солнечные башни

Концентрированные солнечные станции развёрнуты в 25 странах с суммарной мощностью около 6,8 ГВт по данным IRENA на конец 2024 года. Крупнейшие рынки:

• Испания — 2,3 ГВт
• США — 1,8 ГВт (преимущественно Калифорния и Невада)
• Марокко — 580 МВт
• Китай — 550 МВт
• ЮАР — 500 МВт

Технология наиболее эффективна в регионах с прямой нормальной инсоляцией выше 2000 кВт·ч/(м²·год) — пустыни, полупустыни, высокогорные плато.

IEA характеризует концентрированную солнечную энергетику как относительно стабильный сегмент на фоне экспансии фотоэлектрических и ветровых систем. Прогнозируемый рост установленной мощности до 15–20 ГВт к 2030 году требует снижения капитальных затрат на 20–25 %. Повышение эффективности поглощения служит одним из ключевых факторов достижения этой цели наряду с оптимизацией тепловых циклов и удешевлением гелиостатов.

Перспективы: проводимость и градиентные структуры

Текущая версия покрытия имеет электрическую проводимость около 10³ См/м. Этого достаточно для отвода статических зарядов, но недостаточно для некоторых специализированных применений. Исследовательская группа изучает легирование оксида цинка алюминием или галлием. Цель — повысить проводимость до 10⁴–10⁵ См/м без ущерба для оптических свойств.

Другое направление — градиентные структуры с переменной плотностью наноигл по высоте покрытия. Компьютерное моделирование показывает: такая архитектура может повысить поглощение до 99,7–99,8 %. Дополнительная оптимизация траекторий фотонов внутри наноструктуры обеспечит этот результат. Производственная реализация потребует модификации CVD-процесса с динамическим изменением параметров газовой смеси.

Путь к промышленному масштабу: следующие шаги

Исследователи планируют масштабировать производство для пилотной установки площадью 50 м² к концу 2026 года. Тестирование в реальных условиях на действующей станции запланировано на 2027 год. Параллельно ведётся работа над автоматизацией CVD-процесса. Цель — снизить время производства до 4–6 часов на квадратный метр.

Коммерциализация технологии потребует сертификации по стандартам IEC 62862 для материалов концентрированной солнечной энергетики. Необходимо согласование с основными производителями приёмных башен. Предварительные переговоры ведутся с тремя европейскими компаниями, специализирующимися на строительстве солнечных тепловых станций.

Остаются вопросы: как поведёт себя материал после 5000 циклов нагрева-охлаждения? Какая толщина покрытия оптимальна для баланса поглощения и теплопередачи? Какие проводящие легирующие элементы совместимы с наноиглами без снижения термической стабильности? Ответы определят, станет ли 99,5 % поглощения света новым промышленным стандартом или останется лабораторным рекордом.