Двустенные углеродные нанотрубки могут стать чудо-материалом для солнечных батарей

Теоретик Борис Якобсон (Boris Yakobson) из лаборатории материаловедения хьюстонского Университета Райса в журнале Nano Letters представил выполненные его группой первые вычисления влияния кривизны полупроводящих двустенных нанотрубок на их флексоэлектрическое напряжение — мера электрического дисбаланса между внутренней и внешней стенками, показывающая пригодность вложенных нанотрубок для приложений фотоэлектроники.

Когда атомы углерода образуют плоский графен, плотность заряда атомов с обеих сторон плоскости одинакова. Скручивание листа в трубку нарушает эту симметрию, изменяя баланс. Это создает флексоэлектрический локальный диполь в направлении и пропорционально кривизне. По словам исследователей, флексоэлектричество 2D-углерода «является замечательным, но также довольно тонким эффектом».

В двустенных нанотрубках кривизна внешней и внутренней трубки различаются, из-за чего каждая из них получает определённую запрещённую зону. Далее, моделирование показало, что флексоэлектрическое напряжение внешней стенки смещает запрещённую зону внутренней, создавая чередующееся выравнивание полос во вложенной системе при критическом диаметре порядка 2,4 нм.

«Это огромное преимущество для солнечных элементов, по сути, обязательное условие для разделения положительных и отрицательных зарядов и создания тока, — сказал Якобсон. — при поглощении света, электрон всегда перепрыгивает из верхней части занятой валентной зоны (оставляя позади положительно заряженную ’дырку’) в самое низкое состояние пустой зоны проводимости».

В полученной конфигурации эти зоны находятся в разных трубках, из-за чего между ними происходит разделение «плюса» и «минуса», и во внешней цепи начинает течь ток. Расчёты показали, что модификация поверхностей нанотрубок позитивными и негативными атомами позволяет создать напряжение каждого знака вплоть до 3 вольт.

Токийские исследователи предполагают, что полученные ими результаты могут быть справедливы и для других типов нанотрубок, в том числе из нитрида бора и дисульфида молибдена, как в чистом виде, так и для гибридов с углеродными нанотрубками.