Исследователи из Стэнфордского университета разрабатывают новый эффективный материал для солнечных батарей, который в пятнадцать раз тоньше бумаги. Материалы, созданные с использованием дихалькогенидов переходных металлов* (TMD), способны поглощать больше солнечного света, чем другие подобные материалы, и в то же время являются чрезвычайно легкой альтернативой солнечным панелям на основе кремния.
Работа ученых является частью совместных усилий научного сообщества по поиску материалов для солнечных батарей, альтернативных кремнию. Кремний является самым распространенным сырьем в производстве солнечных батарей, но он тяжелый и жесткий, а значит, не подходит для использования в самолетах, космических кораблях, электромобилях и носимых устройствах.
Команда инженеров из Стэнфорда смогла разработать активный элемент толщиной всего несколько сотен нанометров. О своих новых результатах они рассказали в статье, опубликованной в журнале Nature Communications. Новое устройство включает в себя TMD, а также контакты из золота, заключенные в слой проводящего графена толщиной всего в один атом. Все это было размещено внутри гибкого антибликового полимера, который повышает поглощение света. Толщина самих TMD-элементов составляет менее шести микрон.
"Представьте себе автономный беспилотник, который питается от солнечных элементов на крыле, которые в 15 раз тоньше листа бумаги", - говорит Коуша Нассири Назиф, соавтор исследования. "В этом и заключается перспектива применения TMD".
Пока что ученым не удалось полностью раскрыть потенциал TMD. Существуют препятствия, связанные с производством и транспортировкой нового материала без его повреждения. Но основная проблема заключается в том, что кремниевые солнечные батареи в настоящее время преобразуют в электричество около 30 процентов солнечного света, а TMD - только около 2 процентов. Хотя TMD имеют большой потенциал для широкого применения в солнечной энергетике, исследователям придется значительно повысить их эффективность.
Новый материал, разработанный в Стэнфорде, в определенной степени сокращает этот разрыв, достигая эффективности преобразования энергии в 5,1 процента. Тем не менее, инженеры считают, что, оптимизировав новый материал, они смогут добиться эффективности в 27 процентов. В этом случае он будет сравним с лучшими солнечными батареями, представленными сегодня на рынке. К тому же прототип материала показал в 100 раз большее отношение мощности к весу, чем все разработанные до сих пор TMD.
"Кремний составляет сегодня 95 процентов рынка солнечных батарей, но он далек от совершенства. Нам нужны новые материалы, легкие, гибкие и более экологичные", - говорит Кришна Сарасват, старший автор исследования.
TMD не содержат токсичных химических веществ и являются биосовместимыми материалами, что означает, что они могут использоваться для изготовления носимых вещей, контактирующих с кожей человека. Однако самым большим преимуществом этих материалов является то, что они невероятно тонкие и гибкие, что делает их доступными по цене и в то же время позволяет придавать им любую форму.
В производстве электромобилей такой материал может обеспечить гораздо больший запас хода. Кроме того, использование элементов на базе нового материала может значительно улучшить разработку солнечных электромобилей (SEV -solar electric vehicle), таких как Lightyear One, который обещает работать месяцами без подключения к зарядному устройству благодаря своим солнечным панелям. Этот материал можно также использовать для зарядки самых разных вещей, включая небольшие носимые устройства, роботов, самолеты и космические корабли.
*Дихалькогениды переходных металлов (TMD или DPM) - это тонкие двумерные полупроводники, в которых один слой атомов металла расположен между двумя слоями атомов халькогена. К числу последних принадлежат кислород, сера, селен, теллур, полоний и некоторые другие элементы.