Предложен метод повышения эффективности солнечных батарей и светодиодов при использовании углеродных точек

Работа исследователей опубликована в журнале Advanced functional materials. Борьба за сохранение экологии, резкие колебания цен на нефть и газ приводят к тому, что инвесторы все чаще обращаются к возобновляемой энергетике. Вот почему ученые в разных странах активно работают над тем, чтобы сделать генерацию из возобновляемых источников максимально эффективной. Так, сейчас активно ведется работа над повышением КПД солнечных батарей, одного из самых популярных источников «зеленой» энергии в мире.

Как правило, ученые работают с активным слоем фотоэлементов, ответственным за поглощение энергии света – их делают из кремния, соединений галлия и мышьяка, перовскита и других материалов. Однако эффективность, стоимость и долговечность батареи зависит не только от активного слоя, но также и от вспомогательных слоев. Повышение их эффективности одновременно со снижением стоимости может позволить поднять конкурентоспособность разработки.

Вспомогательные слои в солнечной батарее бывают электрон-транспортными и дырочно-транспортными. Когда солнечный свет достигает активного слоя, то в нем формируются отрицательный и положительный заряды. После этого их надо развести по соответствующим электродам. Именно за это и отвечают вспомогательные слои: электрон-транспортный – за извлечение из активного слоя и перенос отрицательного заряда; дырочно-транспортный — положительного.

Международная группа ученых, среди которых исследователи из Университета ИТМО, предложила новый метод для создания вспомогательных слоев для солнечных батарей и светодиодов на основе перовскита. Они использовали углеродные точки – экологичный, сравнительно дешевый материал, который легко получать в как в лабораторных, так и промышленных условиях.

«Углеродные точки – это наночастицы на основе углерода диаметром от двух до десяти нанометров, – поясняет ведущий научный сотрудник Университета ИТМО Александр Литвин, являющийся соавтором исследования, – на их поверхности всегда присутствуют различные функциональные группы, которые во многом определяют свойства этого материала.

Само использование углеродных точек для солнечных элементов не является первым, важна именно модификация их поверхности за счет работы с функциональными группами. Различное соотношение этих групп на поверхности определяет электронную конфигурацию углеродных точек. Соответственно, их подбор позволяет получить оптимальные значения рабочих функций электродов и энергетических уровней транспортных слоев, на которые они наносятся.

Это делает возможным получить оптимальную конфигурацию устройства с максимальной эффективностью. Подход является универсальным для различных типов устройств, что позволило впервые использовать углеродные точки для увеличения эффективности работы светодиодов».

Полученный таким образом материал можно использовать не только для солнечных батарей, но и для вспомогательных слоев светодиодов. Устройство светодиода в целом сходно, только процесс там обратный – положительный и отрицательный заряды нужно не извлекать из активного слоя, а, напротив, инжектировать в него. В обоих случаях зарубежные коллеги ученых из Университета ИТМО получили значительное повышение эффективности устройств, созданных с применением вспомогательных слоев из описанных выше углеродных точек.

«Были созданы устройства, исследованы их характеристики, – заключает Александр Литвин, – в случае с солнечными батареями на основе перовскитов удалось получить увеличение эффективности с 17,3% до 19,5% то есть практически на 13%. Для светодиодов, в зависимости от конкретного материала эмиссионного слоя, внешняя квантовая эффективность (отношение количества фотонов, излучаемых светодиодом, к количеству электронов, инжектируемых в него) увеличилась в 2,1 – 2,7 раз».

Университет ИТМО

31 статей

Университет ИТМО (Санкт-Петербург) — национальный исследовательский университет, ведущий вуз России в области информационных и фотонных технологий. Альма-матер победителей международных соревнований по программированию: ICPC (единственный в мире семикратный чемпион), Google Code Jam, Facebook Hacker Cup, Яндекс.Алгоритм, Russian Code Cup, Topcoder Open и др. Приоритетные направления: IT, фотоника, робототехника, квантовые коммуникации, трансляционная медицина, урбанистика, Art&Science, Science Communication.

Показать больше