Борьба за сохранение экологии, резкие колебания цен на нефть и газ приводят к тому, что инвесторы все чаще обращаются к возобновляемой энергетике. Согласно прогнозу экспертов, доля «зеленой» энергетики в 2024 году в мире вырастет до 30%, то есть практически каждая третья лампочка уже через четыре года будет работать на энергии солнца, ветра или воды. Вот почему ученые в разных странах активно работают над тем, чтобы сделать генерацию из возобновляемых источников максимально эффективной.
Так, сейчас активно ведется работа над повышением КПД солнечных батарей, одного из самых популярных источников «зеленой» энергии в мире. Как правило, ученые работают с активным слоем фотоэлементов, ответственным за поглощение энергии света — сейчас в отрасли идет конкуренция между кремниевыми, арсенидгаллиевыми, перовскитными и другими технологиями. Однако эффективность, стоимость и долговечность батареи зависит не только от активного слоя, но также и от вспомогательных слоев. Повышение их эффективности одновременно со снижением стоимости может позволить поднять конкурентоспособность разработки.
«Вспомогательные слои делаются в основном из органических молекул, полимеров или оксидов различных металлов, — рассказывает ведущий научный сотрудник Университета ИТМО Александр Литвин. — Эти материалы имеют разные недостатки: некоторые имеют низкую стабильность, некоторые — очень дороги и сложны в производстве. Некоторые же подвержены деградации под действием молекул воды и кислорода в окружающей среде. И это при том, что одной из функций вспомогательных слоев является защита активного слоя».
Углеродные точки и немного лимонной кислоты
Вспомогательные слои в солнечной батарее бывают электрон-транспортными и дырочно-транспортными. Когда солнечный свет достигает активного слоя, то в нем формируются пары электронов и дырок, проще говоря, отрицательного и положительного заряда. После этого их надо развести по соответствующим электродам. Именно за это и отвечают вспомогательные слои: электрон-транспортный — за извлечение из активного слоя и перенос отрицательного заряда; дырочно-транспортный — положительного. При этом слои должны предотвращать обратный процесс, когда заряды попадают не на свой электрод. Эти процессы, как и сама генерация электрон-дырочных пар в активном слое, тоже могут протекать с разной степенью эффективности.
Международная группа ученых, среди которых исследователи из Университета ИТМО, предложила новый метод для создания вспомогательных слоев для солнечных батарей и светодиодов на основе перовскита. Они использовали углеродные точки — экологичный, сравнительно дешевый материал, который легко получать как в лабораторных, так и промышленных условиях.
«Углеродные точки — это наночастицы на основе углерода диаметром от двух до десяти нанометров, — поясняет Александр Литвин, являющийся соавтором исследования. — На их поверхности всегда присутствуют различные функциональные группы, которые во многом определяют свойства этого материала. Само использование углеродных точек для солнечных элементов не является первым, важна именно модификация их поверхности за счет работы с функциональными группами. Различное соотношение этих групп на поверхности определяет электронную конфигурацию углеродных точек. Соответственно, их подбор позволяет получить оптимальные значения рабочих функций электродов и энергетических уровней транспортных слоев, на которые они наносятся. Это делает возможным получить оптимальную конфигурацию устройства с максимальной эффективностью. Подход является универсальным для различных типов устройств, что позволило впервые использовать углеродные точки для увеличения эффективности работы светодиодов».
Как это работает?
Как же можно варьировать соотношение функциональных групп, находящихся на поверхности углеродных точек? Дело в том, что в данной работе синтез этих наноматериалов основывался на использовании двух прекурсоров: лимонной кислоты и этилендиамина. Меняя соотношение этих веществ при реакции, можно изменить соотношение тех функциональных групп, которые будут находиться на поверхности готовой углеродной точки
«В данной работе мы использовали углеродные точки в качестве электрон-транспортного слоя, — рассказывает Александр Литвин. — По этой причине нам надо было понижать рабочую функцию материала. Для этого при синтезе мы использовали большее количество этилендиамина, что привело к появлению большего числа аминогрупп на поверхности углеродных точек, что улучшает экстракцию и перенос электронов. Для создания дырочно-транспортного слоя соотношение нужно перевернуть, соответственно, увеличив количество лимонной кислоты».
Полученный таким образом материал можно использовать не только для солнечных батарей, но и для вспомогательных слоев светодиодов. Устройство светодиода в целом сходно, только процесс там обратный — электроны и дырки нужно не извлекать из активного слоя, а, напротив, инжектировать в него, чтобы создать электрон-дырочные пары, рекомбинация которых в активном слое обеспечивает свечение. В обоих случаях зарубежные коллеги ученых из Университета ИТМО получили значительное повышение эффективности устройств, созданных с применением вспомогательных слоев из описанных выше углеродных точек.
«Были созданы устройства, исследованы их характеристики, — заключает Александр Литвин. — В случае с солнечными батареями на основе перовскитов удалось получить увеличение эффективности с 17,3 % до 19,5 %, то есть практически на 13 %. Для светодиодов, в зависимости от конкретного материала эмиссионного слоя, внешняя квантовая эффективность (отношение количества фотонов, излучаемых светодиодом, к количеству электронов, инжектируемых в него) увеличилась в 2.1 – 2.7 раз».
Статья: Zhang X., Zeng Q., Xiong Y., Ji T., Wang C., Shen X., Lu M., Wang H., Wen S., Zhang Y., Yang X., Ge X., Zhang W., Litvin A.P., Baranov A.V., Yao D., Zhang H., Yang B., Rogach A.L., Zheng W. Energy Level Modification with Carbon Dot Interlayers Enables Efficient Perovskite Solar Cells and Quantum Dot Based Light‐Emitting Diode. Advanced Functional Materials, 2020/10.1002/adfm.201910530.
