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

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. Недавно группа ученых, в составе которой — ученые Университета ИТМО, опубликовала обзор, рассказывающий о новейших достижениях в этой сфере. Корреспондент ITMO.NEWS пообщался с одним из авторов статьи, ведущим научным сотрудником Университета ИТМО Александром Литвиным, и узнал о том, как углерод помогает сделать солнечные батареи эффективнее, дешевле и безопаснее в производстве.

Солнечные батареи

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».

Александр Литвин
Александр Литвин

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. 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», — поясняет Александр Литвин.

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

Солнечные батареи
Солнечные батареи

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.

Графен. Источник: medium.com
Графен. Источник: medium.com

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. Свойства углеродных точек могут быть настроены за счет допирования или функционализации их поверхности, что также открывает большие перспективы для управления функциями материала», — рассказывает Александр Литвин.

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. 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», — заключает Александр Литвин.

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.

Редакция новостного портала