Разработана первая солнечная батарея, полностью изготовленная из углерода
Исследователи из Стэнфордского университета создали экспериментальную солнечную батарею, которая полностью состоит из углерода. Этот материал является многообещающей альтернативой все более дорожающим материалам, из которых изготавливают традиционные кремниевые солнечные батареи. При этом, тонкая углеродистая пленка может быть нанесена на любую подходящую поверхность методом распыления из пульверизатора, превращая в солнечные батареи стены зданий или автомобильные стекла.
Майкл Восгуеричиэн (Michael Vosgueritchian), исследователь из Стэнфордского университета, рассказывает, что многие другие группы ученых уже неоднократно пытались разработать углеродные солнечные батареи. Но в их разработках все равно использовался токопроводящий металлический слой, отводящий вырабатываемое электричество от активного углеродного слоя фотогальванических элементов. «Наша солнечная батарея, ее активные и токоотводящие слои, полностью сделаны из углеродных материалов» — рассказывает Майкл Восгуеричиэн.
Вместо дорогих токопроводящих металлов, таких как серебро и оксид сплава индия и олова (indium tin oxide, ITO), используемых для изготовления электродов кремниевых солнечных батарей, стэнфордские исследователи, возглавляемые профессором Жанэном Бао (Zhanan Bao), использовали тонкие графеновые пленки и углеродные нанотрубки, которые имеют высокую электрическую проводимость и обладают превосходными свойствами по поглощению света.
Активный фотогальванический слой углеродной солнечной батареи изготовлен из материала, содержащего углеродные нанотрубки и бакиболлы, фуллерены, сложные шарообразные молекулы, состоящие из атомов углерода. К сожалению, эффективность опытной солнечной батареи оставляет желать лучшего. С эффективностью преобразования в 1 процент такие батареи не смогут составить конкуренцию кремниевым солнечным батареям, эффективность которых исчисляется десятками процентов. Однако, профессор Бао уверен, что «используя лучшие материалы, лучшие технологии обработки и производства эффективность углеродных фотогальванических элементов солнечных батарей может быть скачкообразно увеличена до приемлемого уровня».
Главная проблема, из-за которой углеродная солнечная батарея имеет весьма низкую эффективность, заключается в том, что углеродные материалы наиболее эффективно поглощают только свет в инфракрасном диапазоне. Для увеличения эффективности стэнфордская команда сейчас экспериментирует с другими углеродными наноматериалами, которые могут поглощать свет в более широком диапазоне длин волн, включая видимый и ультрафиолетовый свет.
Углеродные солнечные батареи имеют еще одно явное преимущество перед кремниевыми солнечными батареями, чем обусловлен достаточно сильный интерес к ним. Материалы, из которых изготавливаются такие батареи, выдерживают воздействие высокой температуры, вплоть до 593 градуса по шкале Цельсия, они выдерживают без нарушения работы высокий уровень ионизирующего излучения и других неблагоприятных факторов. Все приведенное выше делает углеродные солнечные батареи идеальным кандидатом на использование их в космосе для обеспечения энергией длительных миссий в дальнем космическом пространстве.
Источник
Уникальная солнечная батарея из углерода
Ученые из университета Стэнфорда смогли создать прототип солнечной батареи, полностью состоящей из углерода. В отличие от традиционного кремния, углерод является более дешевым, а также с помощью этого материала технологически проще изготавливать солнечные панели.
Углеродистую пленку можно наносить на любую поверхность, распыляя при помощи пульверизатора, поэтому можно создать солнечные батареи на крыше здания или на стеклах автомобиля.
Ранее неоднократно ученые разных стран пытались создать солнечную батарею из углерода, однако в их прототипах все равно применялась металлическая подложка, которая отводила выработанное электричество от фотогальванического слоя – углерода. Как утверждает Майкл Восгуеритчиэн – один из создателей углеродистой фотоэлектрической панели, — их разработка полностью состоит из углерода: и активные и токоотводящие слои.
В кремниевых солнечных батареях электроды изготавливаются из дорогих токопроводящих материалов: оксида сплава индия и олова, серебра. Ученые из Стэнфорда нашли другой выход, они применяли графеновые пленки небольшой толщины и углеродные нанотрубки, которые хорошо проводят электрический ток и поглощают солнечный свет. Подобная солнечная батарея имеет фотогальванический слой состоящий из атомов углерода, но опытный образец к сожалению обладает невысокой эффективностью. Кремниевые фотоэлектрические панели имеют коэффициент преобразования в несколько десятков процентов, тогда как углеродистая панель может преобразовать в электричество только один процент солнечного света. Однако ученые считают, что если использовать более качественные материалы и совершенную технологию изготовления, можно добиться приемлемой эффективности.
Основная причина низкой эффективности прототипа заключается в том, что используемые материалы из углерода лучше поглощают только инфракрасное излучение. Чтобы увеличить коэффициент преобразования команда ученых проводят эксперименты с наноматериалами из атомов углерода, поглощающие солнечный свет во всем диапазоне волн.
Кроме того, углеродистые батареи имеют уникальную особенность выдерживать высокие температуры до 600 градусов Цельсия и не теряют своих свойств под действием ионизирующего излучения, в отличие от кремния. Поэтому интерес к данной разработки достаточно высок, за счет возможности использования ее в освоении космоса.
Источник
Уникальная солнечная батарея из углерода
Ученые из университета Стэнфорда смогли создать прототип солнечной батареи, полностью состоящей из углерода. В отличие от традиционного кремния, углерод является более дешевым, а также с помощью этого материала технологически проще изготавливать солнечные панели.
Углеродистую пленку можно наносить на любую поверхность, распыляя при помощи пульверизатора, поэтому можно создать солнечные батареи на крыше здания или на стеклах автомобиля.
Ранее неоднократно ученые разных стран пытались создать солнечную батарею из углерода, однако в их прототипах все равно применялась металлическая подложка, которая отводила выработанное электричество от фотогальванического слоя – углерода. Как утверждает Майкл Восгуеритчиэн – один из создателей углеродистой фотоэлектрической панели, — их разработка полностью состоит из углерода: и активные и токоотводящие слои.
В кремниевых солнечных батареях электроды изготавливаются из дорогих токопроводящих материалов: оксида сплава индия и олова, серебра. Ученые из Стэнфорда нашли другой выход, они применяли графеновые пленки небольшой толщины и углеродные нанотрубки, которые хорошо проводят электрический ток и поглощают солнечный свет. Подобная солнечная батарея имеет фотогальванический слой состоящий из атомов углерода, но опытный образец к сожалению обладает невысокой эффективностью. Кремниевые фотоэлектрические панели имеют коэффициент преобразования в несколько десятков процентов, тогда как углеродистая панель может преобразовать в электричество только один процент солнечного света. Однако ученые считают, что если использовать более качественные материалы и совершенную технологию изготовления, можно добиться приемлемой эффективности.
Основная причина низкой эффективности прототипа заключается в том, что используемые материалы из углерода лучше поглощают только инфракрасное излучение. Чтобы увеличить коэффициент преобразования команда ученых проводят эксперименты с наноматериалами из атомов углерода, поглощающие солнечный свет во всем диапазоне волн.
Кроме того, углеродистые батареи имеют уникальную особенность выдерживать высокие температуры до 600 градусов Цельсия и не теряют своих свойств под действием ионизирующего излучения, в отличие от кремния. Поэтому интерес к данной разработки достаточно высок, за счет возможности использования ее в освоении космоса.
Источник
Все дело в carboneum: как углерод помогает создавать эффективные и безопасные солнечные батареи
Солнечные батареи уже стали символом современных технологий и борьбы за окружающую среду. При этом солнечная энергетика не стоит на месте: производители борются за увеличение эффективности своих устройств, а ученые и инженеры пытаются сделать так, чтобы сами фотоэлементы можно было делать без использования высокотоксичных материалов. Один из способов — использовать для производства вспомогательных слоев солнечных батарей наноструктуры из углерода — надежного, дешевого и безопасного материала. Недавно группа ученых, в составе которой — ученые Университета ИТМО, опубликовала обзор, рассказывающий о новейших достижениях в этой сфере. Корреспондент ITMO.NEWS пообщался с одним из авторов статьи, ведущим научным сотрудником Университета ИТМО Александром Литвиным, и узнал о том, как углерод помогает сделать солнечные батареи эффективнее, дешевле и безопаснее в производстве.
Гонка материалов
Развитие солнечной энергетики сегодня напоминает большую гонку, причем соревнование идет на всех уровнях: борьба развернулась между различными технологиями и материалами; между научными группами, ведущими разработку; между высокотехнологичными компаниями, которые создают батареи. Счет в этом состязании идет на десятые доли процентов эффективности солнечных элементов.
Пока ни один из материалов не получил подавляющего преимущества: батареи делают из кремния, арсенида галлия, перовскита, причем все эти материалы, как водится, имеют достоинства и недостатки. В последние годы солнечные элементы на основе перовскита показывают очень неплохие результаты, однако существуют проблемы, которые пока мешают их широкому распространению.
«Всем известно сейчас, что перовскитные элементы демонстрируют очень высокую эффективность, — рассказывает ведущий научный сотрудник Университета ИТМО Александр Литвин. — Однако, к сожалению, они подвержены довольно быстрой деградации в присутствии внешних факторов, в первую очередь, при воздействии воды, кислорода, высоких температур, ультрафиолетового излучения».
Александр Литвин
При помощи углерода
Надежность солнечной батареи так же, как и ее эффективность, зависят не только от активного слоя, где и происходит преобразование солнечной энергии в электрическую. Как и многие современные устройства, солнечная батарея представляет собой слоистую структуру — помимо основного слоя, где под воздействием света генерируются пары электронов и дырок, в ней присутствуют электрон-транспортный и дырочно-транспортный слои. Их задача — извлекать из рабочего слоя электроны и дырки, а затем переносить их на соответствующие электроды. При этом они должны предотвращать возникновение паразитных обратных токов, а заодно защищать активный слой.
Чаще всего для создания таких вспомогательных слоев в перовскитных батареях используются органические молекулы, полимеры, а также оксиды металлов (цинка, олова, титана и других). Однако сегодня все больше ученых обращаются к использованию углеродных наноматериалов для этих целей.
«В чем основное преимущество углеродных промежуточных слоев? Они не токсичные, их синтез не такой трудоемкий, углерод довольно стабилен и может хорошо защитить активный слой из перовскита. Еще одно преимущество — углеродные наноматериалы можно модифицировать под конкретную задачу, что позволяет делать из одного материала и электрон-транспортные, и дырочно-транспортные слои, что не позволяют другие материалы», — поясняет Александр Литвин.
При этом у ученых и инженеров есть большой выбор углеродных наноматериалов: графен, углеродные нанотрубки, фуллерены, углеродные точки, графеновые квантовые точки.
Солнечные батареи
Графен
Первый кандидат на использование в солнечной батарее — графен, материал, опыты с которым были отмечены в 2010 году Нобелевской премией по физике. Графен обладает хорошей проводимостью, механической жесткостью, химической стабильностью, а также хорошей возможностью для модификации. Сам графен дорог, поэтому для нужд солнечной энергетики обычно используют его значительно более дешевые производные, такие как оксид графена и восстановленный оксид графена. Последний по своим свойствам наиболее близок к графену.
«Свойства производных графена очень сильно зависят от их поверхности. За счет этого материал можно функционализировать, настроить под определенные нужды, — рассказывает Литвин. — Если вы сможете прикрепить к поверхности большое количество атомов цезия или лития, то слой оксида графена будет хорошо проводить электроны. Если вы присоедините большое количество атомов кислорода или хлора к поверхности графена, то слой будет прекрасно использоваться как дырочно-транспортный слой».
Однако существуют и проблемы. Создание качественных тонких слоев из производных графена пока реализуется в основном в лабораторных условиях методами, которые с трудом применимы для масштабного коммерческого производства.
Графен. Источник: medium.com
Углеродные нанотрубки и фуллерены
Использование углеродных наноструктур в перовскитных солнечных батареях не ограничивается внедрением графена. Большой исследовательский интерес сегодня направлен на использование углеродных нанотрубок и фуллеренов.
«Углеродные нанотрубки и фуллерены обладают очень высокой проводимостью, что важно для транспорта носителей заряда, — поясняет Александр Литвин. — Однако они чаще используются не в качестве самостоятельных материалов, а как добавки к оксидам металлов или полимерам. Углеродные нанотрубки могут выступать в роли “каркаса” для полимеров, создавая более эффективные и стабильные дырочно-транспортные слои. Фуллерены используются для экстракции и транспорта электронов в комбинации с оксидами металлов или самостоятельно».
Углеродные точки и графеновые квантовые точки
Наиболее технологичным решением является использование углеродных точек и графеновых квантовых точек. Форма этих наноструктур приближена к сферической, они могут быть приготовлены в виде устойчивых коллоидных растворов. Это позволяет сравнительно легко получать тонкие однородные слои материала, что значительно удешевляет производство.
«Особенность графеновых квантовых точек в том, что ширина их запрещенной зоны и, как следствие, свойства меняются в зависимости от их размера. Это является дополнительной возможностью для настройки свойств наноструктур при их использовании в конкретных устройствах. Свойства углеродных точек могут быть настроены за счет допирования или функционализации их поверхности, что также открывает большие перспективы для управления функциями материала», — рассказывает Александр Литвин.
До финиша пока далеко
Несмотря на различия, все наноматериалы на основе углерода имеют общие преимущества: они могут хорошо защищать перовскит от внешних воздействий, хорошо извлекают из него носители заряда и эффективно передают их к электродам. Есть еще один плюс — формирование активного слоя перовскита на поверхности углеродных наноструктур зачастую приносит лучший результат, обеспечивая более высокое качество слоя и, как следствие, более эффективную работу фотовольтаического устройства.
И все же остаются прикладные и фундаментальные проблемы, которые пока сдерживают использование углерода.
«Необходимо разрабатывать технологии нанесения наноуглеродных слоев. Пока существующие технологии либо слишком дорогостоящие, хотя и позволяют получить углеродные наноструктуры высочайшего качества, либо могут быть использованы лишь в лабораторных масштабах. Есть и фундаментальные вопросы, относящиеся к процессам взаимодействия перовскитов и углеродных наноструктур, механизмам подавления гистерезиса и улучшения стабильности устройств. Сейчас у нас есть много экспериментальных сведений об этих процессах, но необходимо построение теорий, позволяющих прогнозировать свойства таких структур», — заключает Александр Литвин.
Таким образом, решение этих проблем может усилить позиции перовскитных батарей в большой гонке за эффективностью, которая, похоже, находится в самом разгаре.
Источник