Кремний доминирует в области солнечной энергетики, но это не лучший материал для изготовления тонких, легких солнечных элементов, необходимых для спутников и беспилотных летательных аппаратов.
Атомарно тонкие полупроводниковые материалы, такие как диселенид вольфрама и дисульфид молибдена, которые уже рассматриваются для электроники следующего поколения, обещают недорогие ультратонкие солнечные элементы, которые также могут быть гибкими. И теперь инженеры создали солнечные элементы из диселенида вольфрама, которые могут похвастаться соотношением мощности на вес наравне с известными технологиями тонкопленочных солнечных элементов.
Гибкие солнечные элементы, о которых сообщается в журнале Nature Communications, имеют эффективность преобразования света в электричество 5,1 процента, что является самым высоким показателем для гибких элементов такого рода. Между тем их удельная мощность составляет 4,4 Вт/г, что сопоставимо с тонкопленочными солнечными элементами, изготовленными из теллурида кадмия, селенида меди индия галлия, аморфного кремния и полупроводников III-V.. С дальнейшими разработками по уменьшению толщины подложки и повышению эффективности технология может достичь 46 Вт/г, “намного больше, чем было показано для других фотоэлектрических технологий”, – говорит Коша Нассири Назиф, инженер-электрик из Стэнфордского университета, который руководил работой со своим коллегой Элвином Даусом.
Он в тысячу раз тоньше кремния, но обладает такой же способностью поглощения, как и стандартная кремниевая пластина.
Эффективность кремния трудно превзойти по стоимости, и стоимость кремниевых солнечных панелей снижается с каждым годом. Но “кремний довольно неоптимален для новых приложений”,” говорит Нассири Назиф. Такие приложения включают носимую и совместимую электронику, интеллектуальные окна и другие архитектурные решения, беспилотные летательные аппараты и электромобили. “Еще одним важным приложением является Интернет вещей, – говорит он, – где вы можете продлить срок службы батареи или полностью устранить необходимость в батареях для питания небольших датчиков и устройств”.
Высокая удельная мощность имеет решающее значение для этих целей, говорит он. Современные тонкопленочные технологии и новые перовскитные солнечные элементы обладают более высокой удельной мощностью, чем кремний, при этом перовскиты удерживают рекорд на уровне 29 Вт/г.
Но диселенид вольфрама и дисульфид молибдена, которые относятся к классу материалов, известных как дихалькогениды переходных металлов (TMD), имеют преимущества перед другими материалами. Они более легкие, чем тонкопленочные ячейки CdTe или CIGS, используемые в настоящее время в аэрокосмической промышленности. Они также более стабильны, чем перовскиты и органические фотоэлектрические материалы, и более экологичны, чем перовскиты, содержащие свинец.
Кроме того, материалы TMD обладают одними из самых высоких возможностей поглощения света из любого фотоэлектрического материала. “Таким образом, вы можете иметь ультратонкий слой в тысячу раз тоньше кремния и при этом иметь такое же количество поглощения при правильном оптическом дизайне”, – говорит Нассири Назиф.
Тем не менее, лучшие солнечные элементы TMD до сих пор имели КПД менее 3%, а при изготовлении на легкой, гибкой подложке-менее 0,7%. Однако теоретическая эффективность материалов составляет 27%. Daus говорит, что они просто новее на месте и нуждаются в большем количестве тяжелого машиностроения для повышения эффективности. Все фотоэлектрические материалы сталкиваются с проблемами извлечения заряда. То есть, как только материал поглощает фотон и производит электроны и дырки, эти носители заряда должны быть быстро извлечены, прежде чем они смогут рекомбинировать.
Хитрость заключается в том, чтобы найти правильный контактный материал для переноса носителей заряда с полупроводника на электроды. Для этого исследователи выбрали прозрачный графеновый лист. Затем они покрыли его слоем оксида молибдена, который также прозрачен и повышает способность графена извлекать носители заряда, объясняет Даус.
Еще одним ключевым достижением, которое позволяет им создавать высококачественные гибкие солнечные элементы, является разработанный ими метод переноса, добавляет он. Сначала они наносят хлопья диселенида вольфрама на кремниевую подложку, наносят на нее золотые электроды, а затем покрывают ее тонкой гибкой пластиковой подложкой. Затем они помещают весь ансамбль на водяную баню, чтобы аккуратно отделить гибкую структуру от кремния. Наконец, они переворачивают структуру так, чтобы диселенид вольфрама был сверху, и покрывают ее графеном и оксидом молибдена. В итоге все устройство имеет толщину всего 350 нм.
Насири Назиф указывает, что на данный момент солнечные элементы крошечные, примерно 100 х 100 мкм. “Чтобы добраться до точки, где его можно будет коммерциализировать, нам нужны устройства размером не менее 1 х 1 см”, – говорит он. “Хорошая новость заключается в том, что уже был продемонстрирован качественный рост TMD на больших площадях”.
Но большинство усилий было сосредоточено на создании монослойных TMD-материалов для электроники, говорит Даус, в то время как для солнечных элементов нужны пленки толщиной 100-200 нм. Команда Стэнфорда уже начала делать пленки TMDs размером 2 × 2 см, но до сих пор более толстые пленки не достигли такого же высокого качества, как более мелкие хлопья, которые они использовали в бумаге
Они надеются, что эта работа вдохновит на дальнейшие исследования в области солнечных элементов TMD. “Наша цель-создать основу для фотоэлектрических приложений TMD”, – говорит Нассири Назиф. “Эти материалы имеют фундаментальное преимущество перед другими технологиями. Если мы решим инженерные проблемы, это может стать материалом для фотоэлектрических технологий следующего поколения”.
