Наука: Создана технология производства дешевых солнечных батарей из полимеров

Первые образцы полимерных фотоэлементов, генерирующих электричество под действием солнечного света, имели коэффициент полезного действия (энергетическую эффективность преобразования света в электричество) всего 1,7%. Кристаллические полупроводники имеют гораздо более высокий КПД. В настоящее время лучшие образцы полупроводниковых кристаллов способны превращать световую энергию в электричество с эффективностью не более 35%. Каждый шаг в увеличении эффективности дается все с большим трудом, и получать новые эффективные полимеры можно лишь в особых условиях, где можно создать стерильную чистоту и отсутствие примесей в материалах. Ученые из Беркли решили пойти другим путем и использовать преимущества обоих типов полупроводниковых материалов. Они отказались от мысли сделать уникально чистый кристалл и вместо этого изготовили композиционный материал, который является дисперсией крошечных полупроводниковых кристаллических стержней в твердом полимере. Раньше их размеры назвали бы микроскопическими (что подразумевает возможность увидеть их в микроскоп), но здесь это определение будет неточным, поскольку характерные размеры этих стержней измеряются десятками нанометров и в оптический микроскоп их увидеть невозможно. Так что более подходящим названием для таких структур будет "наностержни".

Что представляют собой наностержни? Это кристаллы полупроводниковых материалов, полученные в лаборатории д-ра Аливисатоса (A. Paul Alivisatos) в университете Беркли. Размеры этих кристаллов таковы, что в них содержится от 100 до 100000 атомов, но тем не менее, сохраняется трансляционная симметрия при упаковке атомов, что и позволяет создавать кристаллическую структуру. Малое число атомов в этих структурах приводит к появлению у них новых свойств, определяемых квантово-механическими законами. В зависимости от размера кластеров (совокупности атомов), могут по-разному меняться такие показатели, как ширина запрещенной зоны полупроводника (и возможность поглощения света в разных спектральных диапазонах), потенциал ионизации, температура плавления, магнитные свойства. Можно осуществить тонкую настройку этих параметров, если научиться контролировать размеры и форму кристаллических кластеров. Среди многих перспективных применений нанокристаллов отметим, например, возможность их использования в качестве маркеров для биологических исследований на клеточном или молекулярном уровне. В этом случае кластер размером в 2 нм при облучении лазером будет сам излучать свет в зеленом диапазоне спектра, а кластер в 5 нм - в красном диапазоне.

Получают кластеры нанокристаллов, внося затравку из металлоорганического соединения в горячий раствор поверхностно-активного вещества. После того, как Аливисатос и его коллеги научились выращивать кристаллы сферической формы, следующим шагом стало получения стержней - структур, длина которых в 10 и более раз превышает их толщину. При изучении их свойств оказалось, что стержни, например, из селенида кадмия, в 20 раз эффективнее в процессах преобразования света, чем кристаллы сферической формы. Кроме того, стержни испускают поляризованный свет, что может оказаться особенно важным при использовании их для биохимического анализа.

При попадании света на поверхность кристалла в этом случае возникает свободный электрон и дырка (вакансия в кристаллической структуре). Электрон перемещается на другой конец наностержня, который присоединен к электроду из алюминия. Дырка дрейфует в направлении полимерного полупроводника, окружающего наностержень, а затем к прозрачному полимерному электроду. Обычно в качестве полимерной среды-наполнителя с полупроводниковыми свойствами используют РН3Т (поли-3-гексилтиофен) или аналогичный ему полимер, производное политиофена. Напомним, кстати, что в прошлом году у политиофена были обнаружены сверхпроводящие свойства при низких температурах. Таким образом, происходит разделение заряда и образование разности потенциалов, которая достигает 0,7 вольта, чего уже вполне достаточно для работы многих полупроводниковых устройств.

Самым привлекательным моментом этой разработки является дешевизна изготовления гибридного фотоэлектрического элемента. Дело в том, что для получения чистого полимерного кристалла больших размеров нужны особые условия, и всN равно размеры полупроводниковой пластины не будут превышать несколько десятков сантиметров. В то же время производство наностержней, а затем и композиционных материалов на их основе, не требует специальных условий и, по существу, может быть проведено в любой лаборатории или производственном помещении. Синтез при этом ведется при комнатной температуре.

Ученые использовали, таким образом, преимущества как неорганических, так и полимерных полупроводников. Исследования, которые ведутся сейчас, направлены на создание наностержней, которые поглощают свет в разных диапазонах видимого спектра. Это позволит наиболее эффективно использовать весь спектральный диапазон. Ученые предполагают, что в итоге фотоэлемент будет состоять из трех слоев, накладываемых друг на друга. Гибкость полимерного носителя позволит придать готовому изделию любую форму и сделать его площадь произвольной.

Короткая ссылка на материал: //cnews.ru/link/a300