Новости перспективных технологий

Ученым удалось изготовить солнечный элемент, полностью состоящий из углерода

Изображение с сайта ostec-group.ru

Ученые Стэнфордского университета изготовили первую солнечную батарею, сделанную полностью из углерода. Это многообещающая альтернатива дорогим материалам, используемым сегодня в фотовольтаических устройствах.

«У углерода большой потенциал за счет обеспечения высокой эффективности при низкой цене, — говорит автор исследований профессор Чжэньань Бао (Zhenan Bao), преподаватель кафедры химического машиностроения в Стэнфорде. — Лучшая демонстрация наших знаний и умений — работающая солнечная батарея, все элементы которой выполнены из углерода. Это исследование основывается на предыдущей работе, проведенной в нашей лаборатории».

В отличие от кремниевых солнечных батарей, которые установлены на многих крышах, опытный тонкопленочный образец сделан из углеродистых материалов, которые можно наносить из жидкой фазы. В будущем станет возможным наносить гибкие углеродистые солнечные батареи, вырабатывающие электричество, на поверхности и окна зданий, окна автомобилей.

У данной технологии большой потенциал со стороны уменьшения производственных затрат. Изготовление кремниевых элементов — многоэтапный процесс. Разработанное устройство может быть реализовано с помощью достаточно простых методов, не требующих дорогих инструментов и установок.

Углеродные наноматериалы

Экспериментальная солнечная батарея состоит из светочувствительного слоя, поглощающего солнечный свет и расположенного между двумя электродами. В «классической» тонкопленочной солнечной батарее электроды выполнены из проводящих металлов и индиево-оловяных оксидов (ИОО). Такие материалы как, например, индий, дефицитны и становятся все более дорогостоящими в связи с высоким спросом на солнечные батареи, сенсорные экраны и другие подобные изделия. При этом углерод дешев и широко распространен.

При проведении исследований серебро и ИОО, используемые в «классическом» процессе, были заменены на электроды с графеном — пленкой толщиной в один атом углерода и углеродными нанотрубками, которые в 10 000 раз тоньше человеческого волоса и имеют толщину стенки в один атом. Углеродные нанотрубки обладают уникальной электрической проводимостью и характеристиками поглощения света.

Для создания активного слоя использовался материал, сделанный из углеродных нанотрубок и фулерена — шарообразных молекул углерода размером порядка 1 мкм в диаметре. Все компоненты в солнечной батарее выполнены из углеродных материалов.

Однако у углеродистых солнечных элементов имеется недостаток: такой элемент поглощает свет с длинами волн, близкими к инфракрасным, и обладает эффективностью менее 1% — это много меньше значений «классических» кремниевых солнечных батарей. Ожидается, что с применением новых материалов и процессов данное значение удастся существенно увеличить.

Повышение эффективности

Исследовательская группа из Стэнфорда рассматривает несколько путей повышения эффективности солнечных элементов. Шероховатости могут приводить к коротким замыканиям и уменьшать величину вырабатываемого тока. Задачей исследователей является получение максимально гладких слоев из наноматериалов. Также проводятся эксперименты с наноматериалами, которые позволяют работать с более широкими диапазонами длин волн, включающими видимый спектр. При этом углеродные материалы обладают хорошими характеристиками, например, не деградируют в воздушной среде и выдерживают воздействие температур до 1100 градусов по Фаренгейту.

Безусловно, углеродные солнечные батареи могут выдерживать значительно бóльшие термомеханические воздействия, чем «классические» солнечные элементы. Но наравне с этим стоит задача повышения их эффективности, и работы в данном направлении ведутся крайне активно.

Информация с сайта ostec-group.ru со ссылкой на материалы Стэнфордского университета.