Войти

Ученые ИТМО предложили доступный способ улучшения солнечных элементов для умных стекол

20.02.2021

С его помощью исследователям удалось повысить функциональность и КПД органического солнечного элемента на основе малых молекул. При этом батарею можно сделать более стабильной и прозрачной за счет применения углеродных наноструктур и специальной ионной жидкости. Статья опубликована в журнале ACS Applied Materials & Interfaces./p>

Доля «зеленой» энергетики в мире растет. Как предсказывало Мировое энергетическое агентство, к 2024 году эти технологии будут давать 30% всей энергии на планете. Важной частью экологичной энергетики являются солнечные батареи. При этом инженеры проявляют интерес не только к традиционным солнечным панелям, но и к прозрачным тонкопленочным фотоактивным материалам. Их можно наклеить на обычное окно и получить из него небольшой генератор энергии. Однако для массового внедрения таких технологий надо решить ряд проблем.

«Прозрачные солнечные элементы как идея звучит завораживающе, но у них есть существенный недостаток. Это малая эффективность, — говорит научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО Павел Ворошилов. — У обычных тонкопленочных солнечных батарей есть непрозрачный металлический задний контакт, который позволяет дополнительно захватить больше света в структуре. В прозрачных солнечных элементах используют светопропускающий задний электрод. В этом случае часть фотонов неизбежно теряется на пропускание, поэтому и КПД у них намного ниже. Кроме того, есть сложности с изготовлением заднего электрода с необходимыми характеристиками. Это дорого»

Как можно решить проблему?

Многие научные команды пытаются решить эту проблему. Для этого есть несколько способов, например, создавать принципиально новые материалы. Но это долгий и дорогой процесс. Поэтому ведутся работы над улучшением уже существующих технологий. В частности, повысить эффективность солнечных батарей можно с помощью легирования. Это процедура, в ходе которой к материалу добавляют определенные примеси, которые должны улучшить его свойства.

«Для органических солнечных элементов было показано, что легирование транспортных слоев улучшает производительность устройства, — объясняет Павел Ворошилов. — Внутри структуры появляется так называемое встроенное поле, которое позволяет эффективнее разделять заряды, которые мы сгенерировали в активном слое элемента. Кроме того, улучшаются и контактные свойства, то есть больше зарядов достигает электродов».

Однако и здесь есть проблема. Чтобы примесные атомы должным образом «прилипли» к нужному материалу, требуются сложные подходы и дорогое оборудование. Ученые Университета ИТМО предложили способ, который решает эту проблему в органических солнечных элементах.

Как сделать это дешевле?

Совместно с американскими партнерами по мегагранту (группа профессора Анвара Захидова из Техасского университета в Далласе) и коллегами из Москвы петербургские физики развивают концепцию контролируемого легирования углеродных наноматериалов с помощью специальной ионной жидкости. Проще говоря, это жидкость, которая содержит определенные заряженные частицы ― комбинацию катионов и анионов. При внешнем воздействии эти частицы могут проникать сквозь пористую структуру наноматериала, тем самым меняя его свойства и характеристики.

Сотрудники Нового физтеха предложили применить этот способ к органическим солнечным элементам. Для своих опытов они взяли солнечный элемент на основе малых молекул, в конструкции которого заменили непрозрачный металлический электрод многостенными углеродными нанотрубками и существенно увеличили толщину транспортного слоя из фуллерена.

«Это классический вариант органического солнечного элемента, — говорит Павел Ворошилов. — Одно из его преимуществ ― как раз возможность получать прозрачные фотовольтаические панели для умных стекол ― настолько прозрачные, что вы даже не заметите невооруженным взглядом, есть они на стекле или нет. Все дело в том, что видимый свет они почти не поглощают, работая только в ближнем инфракрасном спектре. Но при желании за счет изменения толщины слоя или химического состава можно менять их цвет, делать, к примеру, его приятно голубым или оранжевым. Чтобы не потерять прозрачность структуры, мы используем нанотрубки в качестве токособирающего электрода, которые легко наносятся на поверхность».

Далее ученые легировали покрытие из нанотрубок при помощи ионного затвора. Также обработке подвергся и так называемый транспортный слой, который отвечает за то, чтобы пойманный заряд из активного слоя успешно достиг электрода.

«При этом в данной процедуре мы обошлись без вакуумных камер, работали в воздушной атмосфере. Нам необходимо было просто капнуть ионной жидкостью и подать немного напряжения, чтобы получить необходимые свойства», — добавляет Павел Ворошилов.

Как это сказалось на эффективности?

Изначально нелегированный образец прозрачного солнечного элемента ожидаемо демонстрировал крайне низкий КПД ― нанотрубки не обладали необходимыми характеристиками для данного применения.

В результате легирования ионной жидкостью ученым буквально за минуту удалось поднять эффективность этого же устройства в 50 раз, достигнув стандартных значений для используемого материала активного слоя. И хотя КПД составил менее одного процента после обработки, ученых вдохновил результат ― устройство приобрело улучшенные свойства. Они полагают, что таким же образом можно повысить характеристики других материалов, которые изначально показывают более высокую производительность.

«Конкретные числа будут отличаться, ведь в разных устройствах могут быть задействованы разные принципы, но можно предсказать, что мы сможем поднять эффективность и некоторых других типов батарей подобным образом», — отмечает Павел Ворошилов.

Также он добавляет, что новая технология позволяет увеличить толщину транспортного слоя. Это хорошо, ведь он не только проводит заряженные частицы, но и защищает активный слой от внешней среды. Чем он толще, тем долговечнее сам солнечный элемент. Кроме того, солнечный элемент получает дополнительный функционал ― становится перестраиваемым, что означает возможность динамически изменять, например, свой цвет.

Теперь в планах ученых эксперименты с другими материалами, а также попытки совершенствования самой технологии легирования. В будущем физики надеются отказаться от необходимости подачи напряжения для обработки.

«Следующим этапом мы сделаем так, что нам даже не понадобится затрачивать энергию на настройку материалов, — объясняет Павел Ворошилов. — Будет достаточно положить наше устройство под солнечные лучи и оно само перестроится в нужные свойства для генерации электроэнергии».

Поделиться:

Источник: https://news.itmo.ru/

Смотрите также

EN, Вузы

Демонстрировация генерации лазерного излучения на анапольных модах
Это исследование может помочь при разработке компактных источников лазерного излучения, например лабораторий на чипе

EN, Вузы

Ученые ИТМО усовершенствовали многофотонные процессы в метаповерхностях перовскита
В дальнейшем это исследование поможет при создании визуализатора ИК-излучения

EN, Вузы

Семинар DWIH и ЛЭТИ о науке и образовании в Германии
Студенты и ученые Санкт-Петербурга могут принять участие в семинаре о возможностях учебы и совместных исследований в вузах и НИИ Германии
Будьте в курсе актуальных новостей
Подпишитесь на нашу рассылку