Дихалькогенідні сонячні батареї перехідного металу на гнучкій поліімідній підкладці. Авторство: Koosha Nassiri Nazif
Нові надтонкі фотоелектричні матеріали з часом можуть бути використані в мобільних додатках, від автономних носних пристроїв і датчиків до легких літаків і електромобілів.
У сонячній інженерії триває гонка за створення майже неймовірно тонких, гнучких сонячних панелей. Інженери уявляють, що вони використовуються в мобільних додатках, від автономних носимих пристроїв і датчиків до легких літаків і електромобілів. На цьому тлі дослідники зі Стенфордського університету досягли рекордної ефективності в перспективній групі фотоелектричних матеріалів.
Головною з переваг цих дихалькогенідів перехідних металів – або TMD – є те, що вони поглинають надвисокі рівні сонячного світла, яке потрапляє на їх поверхню, порівняно з іншими сонячними матеріалами.
«Уявіть собі автономний безпілотник, який живиться за допомогою сонячної батареї на своєму крилі, яка в 15 разів тонша за шматок паперу», — сказав Куша Нассірі Назіф, доктор електротехніки в Стенфорді та один із провідних авторів дослідження, опублікованого в видання від 9 грудня Природні комунікації. «Це обіцяють TMD».
Схема пристрою в перерізі. Авторство: Koosha Nassiri Nazif
Пошук нових матеріалів необхідний, тому що пануючий король сонячних матеріалів, кремній, є занадто важким, громіздким і жорстким для застосувань, де гнучкість, легкість і висока потужність є головними, наприклад, пристрої, що носяться і датчики, або аерокосмічні та електричні транспортні засоби.
«Сьогодні кремній становить 95 відсотків сонячного ринку, але він далекий від досконалості. Нам потрібні нові матеріали, які є легкими, гнучкими і, чесно кажучи, більш екологічними», — сказав Крішна Сарасват, професор електротехніки та старший автор статті.
Конкурентна альтернатива
Хоча TMD мають великі перспективи, дослідницькі експерименти на сьогоднішній день намагаються перетворити більше 2 відсотків сонячного світла, яке вони поглинають, в електрику. Для кремнієвих сонячних панелей ця цифра наближається до 30 відсотків. Для широкого використання TMD доведеться закрити цю прогалину.
Новий Стенфордський прототип досягає 5,1-відсоткової ефективності перетворення електроенергії, але, за прогнозами авторів, вони можуть досягти практично 27-відсоткової ефективності за допомогою оптичної та електричної оптимізації. Ця цифра була б на одному рівні з найкращими сонячними панелями на ринку сьогодні, включно з кремнієм.
Професор електротехніки Стенфорда Крішна Сарасват (ліворуч) і аспірант Куша Нассірі Назіф. Авторство: Марк Голден
Більше того, прототип реалізував у 100 разів більший відношення потужності до ваги, ніж будь-який ще розроблений TMD. Це співвідношення важливе для мобільних додатків, таких як дрони, електромобілі та можливість заряджати експедиційне обладнання під час руху. Якщо поглянути на питому потужність – міру вихідної електричної потужності на одиницю ваги сонячного елемента – прототип виробляв 4,4 Вт на грам, що є показником, який може конкурувати з іншими сучасними тонкоплівковими сонячними елементами, включаючи інші експериментальні прототипи.
«Ми вважаємо, що завдяки оптимізації ми зможемо збільшити це важливе співвідношення ще в десять разів», — сказав Сарасват, додавши, що вони оцінюють практичну межу своїх клітин TMD у чудові 46 Вт на грам.
Додаткові переваги
Їх найбільшою перевагою, однак, є їх дивовижна тонкість, яка не тільки мінімізує використання матеріалу та вартість, але й робить сонячні батареї TMD легкими та гнучкими та здатними формувати неправильні форми – дах автомобіля, крило літака чи тіло людини. Команда Стенфорда змогла створити активний масив товщиною всього кілька сотень нанометрів. Масив включає в себе фотоелектричний диселенід вольфраму TMD і золоті контакти, перекриті шаром провідності. графен це просто одиночний атом товстий. Все це затиснуто між гнучким полімером, схожим на шкіру, і антивідблисковим покриттям, яке покращує поглинання світла.
У повністю зібраному вигляді клітини TMD мають товщину менше шести мікрон – приблизно як у легкого офісного мішка для сміття. Щоб досягти товщини одного шматка паперу, знадобиться 15 шарів.
Хоча тонкість, легкість і гнучкість самі по собі є дуже бажаними цілями, TMD також мають інші інженерні переваги. Вони стабільні та надійні протягом тривалого часу. І на відміну від інших претендентів на тонкоплівкову коронку, TMD не містять токсичних хімікатів. Вони також є біосумісними, тому їх можна використовувати в носових програмах, які вимагають прямого контакту зі шкірою або тканиною людини.
Перспективне майбутнє
Численні переваги TMD компенсуються певними недоліками, в основному в інженерних тонкощах масового виробництва. Процес перенесення ультратонкого шару TMD на гнучкий підтримуючий матеріал часто пошкоджує шар TMD.
Алвін Даус, який був одним із провідних авторів дослідження з Насірі Назіфом, розробив процес перенесення, який прикріплює тонкі сонячні батареї TMD до гнучкої підкладки. Він сказав, що ця технічна проблема є значною. Один крок передбачав перенесення шару атомарно тонкого графену на гнучку підкладку товщиною всього кілька мікрон, пояснив Даус, який був докторантом у дослідницькій групі Еріка Попа в Стенфорді, коли проводилося дослідження. Зараз він старший науковий співробітник RWTH Аахенського університету в Німеччині.
Цей складний процес призводить до того, що TMD повністю вбудовується в гнучку підкладку, що забезпечує більшу міцність. Дослідники перевірили гнучкість і міцність своїх пристроїв, зігнувши їх навколо металевого циліндра товщиною менше третини дюйма.
«Потужні, гнучкі та довговічні TMD – це новий перспективний напрямок у сонячних технологіях», – підсумував Насірі Назіф.
Довідка: «Гнучкі дихалькогенідні сонячні елементи з перехідними металами високої питомої потужності» Куша Насірі Назіф, Алвін Даус, Джіхо Хонг, Найон Лі, Сем Вазірі, Аравінд Кумар, Фредерік Нітта, Мішель Е. Чен, Сіаваш Кананіан, Райсул Іслам, Кван -Хо Кім, Джін-Хон Парк, Ада С.І. Пун, Марк Л. Бронгерсма, Ерік Поп і Крішна К. Сарасват, 9 грудня 2021 р., Природні комунікації.
DOI: 10.1038/s41467-021-27195-7
