Нові ультратонкі фотоелектричні матеріали з часом можна буде використовувати в мобільних додатках, від пристроїв, що носяться, і датчиків з автономним живленням до легких літаків і електромобілів.

У сонячній інженерії триває гонка за створення неймовірно тонких та гнучких сонячних панелей. Інженери уявляють, що вони використовуються в мобільних додатках, від пристроїв, що носяться, і датчиків з автономним живленням до легких літаків і електромобілів. На цьому фоні дослідники зі Стенфордського університету досягли рекордної ефективності у багатообіцяючій групі фотоелектричних матеріалів.

Головне з переваг цих дихалькогенидов перехідних металів – чи TMD – у тому, що вони поглинають надвисокі рівні сонячного світла, падаючого їх поверхню, проти іншими сонячними матеріалами.

“Уявіть собі автономний дрон, який живиться від сонячної батареї нагорі свого крила, яке в 15 разів тонше за аркуш паперу”, – сказав Коуша Насірі Назіф, доктор електротехніки в Стенфорді та співавтор дослідження, опублікованого у видання Nature Communications від 9 грудня. “Це обіцянка ПРО”.

Пошук нових матеріалів необхідний, тому що правлячий король сонячних матеріалів, кремній, занадто важкий, громіздкий і жорсткий для додатків, де гнучкість, легка вага і висока потужність мають першорядне значення, таких як пристрої та датчики, що носяться, або аерокосмічні та електричні транспортні засоби.

“Кремній сьогодні становить 95 відсотків сонячного ринку, але він далекий від досконалості. Нам потрібні нові легкі, гнучкі та, відверто кажучи, більш екологічні матеріали”, – сказав Крішна Сарасват, професор електротехніки та старший автор статті.

Конкурентоспроможна альтернатива

Незважаючи на те, що ВННС мають великі перспективи, на сьогоднішній день в рамках дослідницьких експериментів не вдалося перетворити більше 2 відсотків сонячного світла, що поглинається, в електрику. Для кремнієвих сонячних батарей це число наближається до 30 відсотків. Для широкого використання ТВП повинні заповнити цю прогалину.

Новий прототип у Стенфорді забезпечує ККД перетворення енергії 5,1 відсотка, але автори прогнозують, що вони можуть практично досягти ефективності 27 відсотків за оптимізації оптичних та електричних характеристик. Ця цифра буде на рівні найкращих сонячних панелей на ринку сьогодні, включаючи кремній.

Більше того, прототип мав у 100 разів більше відношення потужності до ваги, ніж будь-які розроблені TMD. Це співвідношення важливе для мобільних додатків, таких як дрони, електромобілі та можливість заряджати експедиційне обладнання на ходу. Якщо подивитися на питому потужність – міру вихідної електричної потужності на одиницю ваги сонячного елемента – прототип виробляв 4,4 Вт на грам, показник, що конкурує з іншими сучасними тонкоплівковими сонячними елементами, включаючи інші експериментальні прототипи.

“Ми думаємо, що можемо збільшити це найважливіше співвідношення ще в десять разів за рахунок оптимізації”, – сказав Сарасват, додавши, що вони оцінюють практичну межу своїх клітин TMD в 46 Вт на грам.

Додаткові переваги

Однак їх найбільшою перевагою є їхня чудова тонкість, яка не тільки зводить до мінімуму використання матеріалу та вартість, але також робить сонячні елементи TMD легкими та гнучкими та здатними приймати будь-які форми – дах автомобіля, крило літака або тіло людини. Команда Стенфорда змогла створити активний масив завтовшки лише кілька сотень нанометрів. Матриця включає фотовольтаїчний диселенід вольфраму TMD і контакти із золота, покриті шаром графена, що проводить, товщиною всього в один атом. Все це затиснуто між гнучким, схожим на шкіру полімером і покриттям антивідблиску, що покращує поглинання світла.

У повністю зібраному вигляді осередки TMD мають товщину менше шести мікронів – приблизно таку ж, як у легкого офісного мішка для сміття. Щоб досягти товщини одного аркуша паперу, потрібно 15 шарів.

Хоча тонкість, легка вага і гнучкість – все це дуже бажані цілі самі по собі, TMD мають інші інженерні переваги. Вони стабільні та надійні протягом тривалого часу. І на відміну від інших претендентів на тонкоплівкову коронку, TMD не містять токсичних хімікатів. Вони також біосумісні, тому їх можна використовувати в пристроях, що носять, що вимагають прямого контакту зі шкірою або тканинами людини.

Багатообіцяюче майбутнє

Багато переваг TMD протиставлені певні недоліки, головним чином в інженерних тонкощах масового виробництва. Процес перенесення ультратонкого шару TMD на гнучкий матеріал, що підтримує, часто пошкоджує шар TMD.

Алвін Даус, який був одним із провідних авторів дослідження з Насірі Назіфом, розробив процес перенесення, який прикріплює тонкі сонячні батареї TMD до гнучкої підкладки. Він сказав, що це серйозна технічна проблема. Один із кроків полягав у перенесенні шару атомарно тонкого графену на гнучку підкладку завтовшки всього кілька мікрон, пояснив Даус, науковий співробітник дослідницької групи Еріка Попа в Стенфорді, коли проводилося дослідження. Нині він старший науковий співробітник RWTH Ахенського університету в Німеччині.

Цей складний процес призводить до того, що TMD повністю вбудовується в гнучку підкладку, що забезпечує більшу довговічність. Дослідники перевірили гнучкість та надійність своїх пристроїв, зігнувши їх навколо металевого циліндра завтовшки менше третини дюйма.

“Потужні, гнучкі та довговічні пристрої TMD – це новий перспективний напрямок у сонячних технологіях”, – сказав Насірі Назіф.

Джерело: Stanford News