26.12.2019
Недорогой материал, изготовленный из хлопьев дисульфида вольфрама, толщиной всего в несколько атомов, помог существенно повысить производительность органических солнечных модулей. Его свойства открыты исследователями солнечного центра KAUST, и это открытие может стать важным шагом на пути к более широкому использованию фотоэлектрических элементов, для производства чистого электричества.
Лазерный луч проходит сквозь образцы дисульфида вольфрама, что свидетельствует о тонкой природе двумерных суспензий дихалькогенидов переходных металлов.
В основном солнечные модули используют кремний для поглощения света и преобразования его энергии в электричество. Но молекулы полупроводников на основе углерода (их используют органические фотоэлектрические элементы (OPV), обладают целым рядом явных преимуществ перед кремнием.
Например, OPV способны быть гибкими, что означает, что они могут быть изготовлены в больших масштабах, с использованием недорогой рулонной печати. Лучшие OPV преобразуют около 16-17 % света, который они захватывают, в электроэнергию. Их производительность ниже производительности коммерческих кремниевых элементов, которые превышают порог в 20 %.
Томас Д. Антхопулос и его коллеги из солнечного центра KAUST подсчитали, что органические фотоэлектрические элементы могли бы конкурировать с этими характеристиками, если бы некоторые части ячейки были улучшены. Когда свет попадает на полупроводник, он освобождает электроны от материала и оставляет положительно заряженные отверстия.
Электроны и отверстия собираются различными слоями на противоположных сторонах полупроводника и доставляются к электродам ячейки для генерации тока. Ведущий переносчик отверстий представляет собой полимер, называемый PEDOT: PSS, но он кислый и поглощает влагу из воздуха, что ухудшает свойства других материалов в солнечном элементе.
Междисциплинарная команда специалистов в настоящее время разработала слой для переноса отверстий, сделанный из хлопьев двумерного материала, дисульфида вольфрама. Исследователи использовали ультразвук, чтобы оторвать хлопья от порошкообразного дисульфида вольфрама, суспендированного в смеси воды и этанола. Этот метод обработки ультразвуком является недорогим и его легко масштабировать. Хлопья могут быть нанесены на электрод с помощью простого и широко используемого процесса нанесения покрытия методом центрифугирования.
Команда ученых изготовила несколько OPV таким образом, и лучший из них имел эффективность преобразования энергии 17 %, что является самым высоким показателем для любого OPV, использующего 2D-материал в качестве переносчика отверстий, и одним из самых высоких для любого OPV.
Юаньбао Лин, доктор философии и студент в команде ученых отметил: «Мы были очень удивлены, когда достигли 17 %. Мы считаем, что это только начало, и есть значительные возможности для повышения производительности».
Исследователи обнаружили, что слой дисульфида вольфрама имеет более низкое сопротивление, чем PEDOT: PSS, а также лучше собирает отверстия, чем его конкурент, что приводит к повышению производительности.
Томас Д. Антхопулос сказал: «Наша ближайшая цель состоит в том, чтобы повысить эффективность наших органических солнечных элементов далеко за пределы 17 %, и приблизиться к нашим теоретически предсказанным предела. В дальнейшем мы также стремимся изучить стабильность этих высокоэффективных органических солнечных элементов».