Статьи

Все дело в carboneum: как углерод помогает создавать эффективные и безопасные солнечные батареи

24 марта 2020 Рубрика: Исследования и разработки Ключевые слова: ИТМО, перовскиты, графен, углеродные наноматериалы, солнечные батареи, углеродные наноструктуры

Солнечные батареи уже стали символом современных технологий и борьбы за окружающую среду. При этом солнечная энергетика не стоит на месте: производители борются за увеличение эффективности своих устройств, а ученые и инженеры пытаются сделать так, чтобы сами фотоэлементы можно было делать без использования высокотоксичных материалов. Один из способов, использовать для производства вспомогательных слоев солнечных батарей наноструктуры из углерода — надежного, дешевого и безопасного материала.

Корреспондент ITMO.NEWS пообщался с ведущим научным сотрудником Университета ИТМО Александром Литвиным, и узнал о том, как углерод помогает сделать солнечные батареи эффективнее, дешевле и безопаснее в производстве.

Гонка материалов

Развитие солнечной энергетики сегодня напоминает большую гонку, причем соревнование идет на всех уровнях: борьба развернулась между различными технологиями и материалами; между научными группами, ведущими разработку; между высокотехнологичными компаниями, которые создают батареи. Счет в этом состязании идет на десятые доли процентов эффективности солнечных элементов.

Пока ни один из материалов не получил подавляющего преимущества: батареи делают из кремния, арсенида галлия, перовскита, причем все эти материалы, как водится, имеют достоинства и недостатки. В последние годы солнечные элементы на основе перовскита показывают очень неплохие результаты, однако существуют проблемы, которые пока мешают их широкому распространению.

«Всем известно сейчас, что перовскитные элементы демонстрируют очень высокую эффективность, — рассказывает ведущий научный сотрудник Университета ИТМО Александр Литвин. — Однако, к сожалению, они подвержены довольно быстрой деградации в присутствии внешних факторов, в первую очередь, при воздействии воды, кислорода, высоких температур, ультрафиолетового излучения».

При помощи углерода

Надежность солнечной батареи так же, как и ее эффективность, зависят не только от активного слоя, где и происходит преобразование солнечной энергии в электрическую. Как и многие современные устройства, солнечная батарея представляет собой слоистую структуру — помимо основного слоя, где под воздействием света генерируются пары электронов и дырок, в ней присутствуют электрон-транспортный и дырочно-транспортный слои. Их задача — извлекать из рабочего слоя электроны и дырки, а затем переносить их на соответствующие электроды. При этом они должны предотвращать возникновение паразитных обратных токов, а заодно защищать активный слой.

Чаще всего для создания таких вспомогательных слоев в перовскитных батареях используются органические молекулы, полимеры, а также оксиды металлов (цинка, олова, титана и других). Однако сегодня все больше ученых обращаются к использованию углеродных наноматериалов для этих целей.

«В чем основное преимущество углеродных промежуточных слоев? Они не токсичные, их синтез не такой трудоемкий, углерод довольно стабилен и может хорошо защитить активный слой из перовскита, — поясняет Александр Литвин. — Еще одно преимущество — углеродные наноматериалы можно модифицировать под конкретную задачу, что позволяет делать из одного материала и электрон-транспортные, и дырочно-транспортные слои, что не позволяют другие материалы».

При этом у ученых и инженеров есть большой выбор углеродных наноматериалов: графен, углеродные нанотрубки, фуллерены, углеродные точки, графеновые квантовые точки.

Графен

Первый кандидат на использование в солнечной батарее — графен, материал, опыты с которым были отмечены в 2010 году Нобелевской премией по физике. Графен обладает хорошей проводимостью, механической жесткостью, химической стабильностью, а также хорошей возможностью для модификации. Сам графен дорог, поэтому для нужд солнечной энергетики обычно используют его значительно более дешевые производные, такие как оксид графена и восстановленный оксид графена. Последний по своим свойствам наиболее близок к графену.

«Свойства производных графена очень сильно зависят от их поверхности. За счет этого материал можно функционализировать, настроить под определенные нужды, — рассказывает Литвин. — Если вы сможете прикрепить к поверхности большое количество атомов цезия или лития, то слой оксида графена будет хорошо проводить электроны. Если вы присоедините большое количество атомов кислорода или хлора к поверхности графена, то слой будет прекрасно использоваться как дырочно-транспортный слой».

Однако существуют и проблемы. Создание качественных тонких слоев из производных графена пока реализуется в основном в лабораторных условиях методами, которые с трудом применимы для масштабного коммерческого производства.

Углеродные нанотрубки и фуллерены

Использование углеродных наноструктур в перовскитных солнечных батареях не ограничивается внедрением графена. Большой исследовательский интерес сегодня направлен на использование углеродных нанотрубок и фуллеренов.

«Углеродные нанотрубки и фуллерены обладают очень высокой проводимостью, что важно для транспорта носителей заряда, — поясняет Александр Литвин. — Однако они чаще используются не в качестве самостоятельных материалов, а как добавки к оксидам металлов или полимерам. Углеродные нанотрубки могут выступать в роли «каркаса» для полимеров, создавая более эффективные и стабильные дырочно-транспортные слои. Фуллерены используются для экстракции и транспорта электронов в комбинации с оксидами металлов или самостоятельно».

Углеродные точки и графеновые квантовые точки

Наиболее технологичным решением является использование углеродных точек и графеновых квантовых точек. Форма этих наноструктур приближена к сферической, они могут быть приготовлены в виде устойчивых коллоидных растворов. Это позволяет сравнительно легко получать тонкие однородные слои материала, что значительно удешевляет производство.

«Особенность графеновых квантовых точек в том, что ширина их запрещенной зоны и, как следствие, свойства меняются в зависимости от их размера. Это является дополнительной возможностью для настройки свойств наноструктур при их использовании в конкретных устройствах, — рассказывает Александр Литвин. — Свойства углеродных точек могут быть настроены за счет допирования или функционализации их поверхности, что также открывает большие перспективы для управления функциями материала».

До финиша пока далеко

Несмотря на различия, все наноматериалы на основе углерода имеют общие преимущества: они могут хорошо защищать перовскит от внешних воздействий, хорошо извлекают из него носители заряда и эффективно передают их к электродам. Есть еще один плюс — формирование активного слоя перовскита на поверхности углеродных наноструктур зачастую приносит лучший результат, обеспечивая более высокое качество слоя и, как следствие, более эффективную работу фотовольтаического устройства.

И все же остаются прикладные и фундаментальные проблемы, которые пока сдерживают использование углерода.

«Необходимо разрабатывать технологии нанесения наноуглеродных слоев. Пока существующие технологии либо слишком дорогостоящие, хотя и позволяют получить углеродные наноструктуры высочайшего качества, либо могут быть использованы лишь в лабораторных масштабах, — заключает Александр Литвин. — Есть и фундаментальные вопросы, относящиеся к процессам взаимодействия перовскитов и углеродных наноструктур, механизмам подавления гистерезиса и улучшения стабильности устройств. Сейчас у нас есть много экспериментальных сведений об этих процессах, но необходимо построение теорий, позволяющих прогнозировать свойства таких структур».

Таким образом, решение этих проблем может усилить позиции перовскитных батарей в большой гонке за эффективностью, которая, похоже, находится в самом разгаре.

Статья: Aleksandr P.Litvin, Xiaoyu Zhang, KevinBerwick, Anatoly V.Fedorov, WeitaoZheng, Alexander V.Baranov. «Carbon-based interlayers in perovskite solar cells». Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2020.

Константин Крылов. Редакция новостного портала

Александр Литвин

Александр Литвин

Графен. Источник: medium.com

Графен. Источник: medium.com

Углеродные точки

Углеродные точки

Добавить комментарий

  • 30
  • 31
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7
  • 8
  • 9
  • 10
  • 11
  • 12
  • 13
  • 14
  • 15
  • 16
  • 17
  • 18
  • 19
  • 20
  • 21
  • 22
  • 23
  • 24
  • 25
  • 26
  • 27
  • 28
  • 29
  • 30
  • 1
  • 2
  • 3