Гибкие солнечные батареи станут дешевле и эффективнее

В Лаборатории материалов хьюстонского Университета Райса создан новый катод, который позволит сделать дешевые и гибкие солнечные батареи на сенсибилизированных красителях (dye-sensitized solar cell, DSSC) более практичными. В его конструкции вместо дорогих и хрупких материалов на основе платины используются углеродные нанотрубки (CNT), соединенные с графеном.

Об этом изобретении сообщается на сайте издания Journal of Materials Chemistry A.

Новый катод стал очередной разработкой из целой серии, последовавшей за открытием в 2009 г. метода «ковер-самолет», служащего для выращивания массивов очень длинных и ровных нанотрубок. При этом процессе нанотрубки остаются прикреплены к подложке, но по мере роста приподнимают катализатор над собой. Два года назад химик из Райса Джеймс Тур (James Tour) с помощью этой технологии получил гибрид графена и нанотрубок с идеальным соединением между ними.

В новой работе установлено, что такой гибридный материал снимает два вопроса, задерживавших коммерческое внедрение DSSC.

Во-первых, графен и нанотрубки можно выращивать непосредственно на никелевом электроде, чем устраняется проблема плохого сцепления, сопутствовавшая переносу платиновых катализаторов на обычные электроды, например, из прозрачного проводящего оксида.

Во-вторых, гибрид обладает меньшим контактным сопротивлением на границе с электролитом: этот параметр, определяющий насколько легко электроны переходят в электролит, у него в 20 раз меньше, чем у катодов на основе платины. Причина этого, по всей видимости, кроется в огромной площади поверхности гибрида, ориентировочно составляющей более 2 тыс. м2 на грамм. В условиях отсутствия разрывов в атомных связях при переходе нанотрубок в графен, внешняя и внутренняя части материала представляют одну большую поверхность, где происходит контакт с электролитом.

Для экспериментов ученые изготовили несколько вариантов солнечных батарей с нанотрубками разной длины. Самые короткие, 20-25-микронные, выращивались за 4 минуты, самые длинные получались примерно за час и имели протяженность 100-150 мкм.

Испытания показали, что наилучшие результаты (около 18 mA) были у образцов с максимальной длиной нанотрубок. По эффективности преобразования солнечной энергии (8,2%) такие устройства были на 20% лучше платиновых. При этом общая толщина панели составляла всего 350 мкм и всю конструкцию можно было легко и многократно сгибать без ущерба для функциональности.

Известные с 1988 г. DSSC не могут сравниться по эффективности с кремниевыми солнечными элементами, но обладают другими преимуществами. Они дешевы, поскольку производятся в обычных условиях, без чистой комнаты, полупрозрачны, то есть могут накладываться на стекло, и работают даже в условиях слабого освещения, например, в пасмурный день или в помещении.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365