Новини

Нові фотоелектричні матеріали, розроблені вченими Стенфорду для ультратонких, легких сонячних панелей

Нові фотоелектричні матеріали, розроблені вченими Стенфорду для ультратонких, легких сонячних панелей

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 сонячної батареї дихалькогеніду перехідного металу

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.

Варто знати  Google вирішила повернути в Android-смартфони аналог Apple Wallet

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.

Крішна Сарасват і Куша Нассірі Назіф

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.

Варто знати  Користувачам програми «Дія» стала доступна можливість оплати комунальних послуг

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

Варто знати  Експерти пояснили, чи слід відключати геолокацію у смартфоні

Підписуйтесь на наш телеграм-канал, щоб не пропускати новини!

Підписатися
Сповістити про
guest
0 Коментарі
Вбудовані Відгуки
Переглянути всі коментарі