Новые материалы могут создать ультратонкие и легкие солнечные панели

Новые ультратонкие фотоэлектрические материалы со временем можно будет использовать в мобильных приложениях, от носимых устройств и датчиков с автономным питанием до легких самолетов и электромобилей.

В солнечной инженерии идет гонка за создание невероятно тонких и гибких солнечных панелей. Инженеры представляют, что они используются в мобильных приложениях, от носимых устройств и датчиков с автономным питанием до легких самолетов и электромобилей.

На этом фоне исследователи из Стэнфордского университета достигли рекордной эффективности в многообещающей группе фотоэлектрических материалов.

Главное из преимуществ этих дихалькогенидов переходных металлов – или TMD – заключается в том, что они поглощают ультравысокие уровни солнечного света, падающего на их поверхность, по сравнению с другими солнечными материалами.

«Представьте себе автономный дрон, который питается от солнечной батареи наверху своего крыла, которое в 15 раз тоньше листа бумаги», – сказал Коуша Насири Назиф, доктор электротехники в Стэнфорде и соавтор исследования, опубликованного в Nature Communications.

«Это обещание ПРО».

Поиск новых материалов необходим, потому что правящий король солнечных материалов, кремний, слишком тяжелый, громоздкий и жесткий для приложений, где гибкость, легкий вес и высокая мощность имеют первостепенное значение, таких как носимые устройства и датчики или аэрокосмические и электрические транспортные средства.

«Кремний сегодня составляет 95 процентов солнечного рынка, но он далек от совершенства. Нам нужны новые легкие, гибкие и, откровенно говоря, более экологичные материалы », – сказал Кришна Сарасват, профессор электротехники и старший автор статьи.

Конкурентоспособная альтернатива

Несмотря на то, что ВНЧС имеют большие перспективы, на сегодняшний день в рамках исследовательских экспериментов не удалось превратить более 2 процентов поглощаемого ими солнечного света в электричество. Для кремниевых солнечных батарей это число приближается к 30 процентам.

Для широкого использования ТВП должны восполнить этот пробел.

Новый прототип в Стэнфорде обеспечивает КПД преобразования энергии 5,1 процента, но авторы прогнозируют, что они могут практически достичь эффективности 27 процентов при оптимизации оптических и электрических характеристик. Эта цифра будет на уровне лучших солнечных панелей на рынке сегодня, включая кремний.

Более того, прототип имел в 100 раз большее отношение мощности к массе, чем любые разработанные TMD. Это соотношение важно для мобильных приложений, таких как дроны, электромобили и возможность заряжать экспедиционное оборудование на ходу.

Если посмотреть на удельную мощность – меру выходной электрической мощности на единицу веса солнечного элемента – прототип производил 4,4 Вт на грамм, показатель, конкурирующий с другими современными тонкопленочными солнечными элементами, включая другие экспериментальные прототипы.

«Мы думаем, что можем увеличить это важнейшее соотношение еще в десять раз за счет оптимизации», – сказал Сарасват, добавив, что они оценивают практический предел своих клеток TMD в 46 Вт на грамм.

Дополнительные преимущества

Однако их самым большим преимуществом является их замечательная тонкость, которая не только сводит к минимуму использование материала и стоимость, но также делает солнечные элементы TMD легкими и гибкими и способными принимать любые формы – крышу автомобиля, крыло самолета или тело человека.

Команда Стэнфорда смогла создать активный массив толщиной всего несколько сотен нанометров. Матрица включает в себя фотовольтаический диселенид вольфрама TMD и контакты из золота, покрытые слоем проводящего графена толщиной всего в один атом.

Все это зажато между гибким, похожим на кожу полимером и антибликовым покрытием, улучшающим поглощение света.

В полностью собранном виде ячейки TMD имеют толщину менее шести микрон – примерно такую ​​же, как у легкого офисного мешка для мусора. Чтобы достичь толщины одного листа бумаги, потребуется 15 слоев.

Хотя тонкость, легкий вес и гибкость – все это очень желанные цели сами по себе, TMD обладают и другими инженерными преимуществами.

Они стабильны и надежны в течение длительного времени. И в отличие от других претендентов на тонкопленочную коронку, TMD не содержат токсичных химикатов. Они также биосовместимы, поэтому их можно использовать в носимых устройствах, требующих прямого контакта с кожей или тканями человека.

Многообещающее будущее

Многим преимуществам TMD противопоставлены определенные недостатки, главным образом в инженерных тонкостях массового производства.

Процесс переноса ультратонкого слоя TMD на гибкий поддерживающий материал часто повреждает слой TMD.

Алвин Даус, который был одним из ведущих авторов исследования с Нассири Назифом, разработал процесс переноса, который прикрепляет тонкие солнечные батареи TMD к гибкой подложке. Он сказал, что это серьезная техническая проблема.

Один из шагов заключался в переносе слоя атомарно тонкого графена на гибкую подложку толщиной всего несколько микрон, объяснил Даус, научный сотрудник исследовательской группы Эрика Попа в Стэнфорде, когда проводилось исследование. Сейчас он старший научный сотрудник RWTH Ахенского университета в Германии.

Этот сложный процесс приводит к тому, что TMD полностью встраивается в гибкую подложку, что обеспечивает большую долговечность. Исследователи проверили гибкость и надежность своих устройств, согнув их вокруг металлического цилиндра толщиной менее трети дюйма.

«Мощные, гибкие и долговечные устройства TMD – это новое многообещающее направление в солнечных технологиях», – заключил Нассири Назиф.

Автор Эндрю Майерс.