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.

Солнечные элементы из дихалькогенидов переходных металлов на гибкой полиимидной подложке. (Изображение предоставлено Коуша Нассири Назиф)

В поисках альтернативы кремнию

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".

Раскрытие потенциала 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.