Фотовольтаика с 2D-материалами: новый рубеж интеграции

Новый класс двумерных материалов может сделать фотоэлектрические элементы настолько тонкими и легкими, что их можно будет использовать на любой поверхности, поглощая при этом удивительное количество света.

Новый рубеж интегрированной фотоэлектрической энергии? Дихалькогениды переходных металлов (TMDC), двумерные материалы, которые однажды смогут заменить кремний и другие полупроводники в высокоэффективных солнечных элементах.

Исследование все еще находится на ранней стадии, но группа ученых из Института солнечной энергии Мадридского политехнического университета (UPM) работает над этими 2D-материалами, чтобы воплотить обещания в реальность.

В частности, команда разработала микропрототипы ультратонких солнечных элементов на основе диселенида вольфрама (WSe2) или дисульфида молибдена (MoS2), двух наиболее изученных TMDC. Эти полупроводники, как и материалы Ван-дер-Ваальса, сохраняют механическую стабильность вплоть до толщины монослоя, в то же время успевая поглощать значительную часть падающего света. Мало того: они состоят из элементов, богатых земной корой, и их чрезвычайно легко производить.

Сильные стороны? В фотоэлектрических системах они действуют как своего рода очень тонкие интеллектуальные фильтры, которые используют необходимый свет и пропускают остальной свет. Другими словами, солнечные элементы MoS2 и WSe2 прозрачны благодаря бесконечно малой толщине полупроводника, обеспечивая при этом эффективность от 13% до 25%.

Слабое место? В отличие от кремния, когда свет попадает на материал, он образует экситон (электрон и дырка все еще связаны вместе), который необходимо «сломать». Но настоящая проблема заключается в том, чтобы иметь возможность точно контролировать толщину вплоть до монослоя, а эту цель в настоящее время невозможно достичь с помощью экономически эффективных методов крупномасштабного производства.

Испанская команда получила свои микроэлементы благодаря методике под названием горячий пикапв котором фрагменты материалов отбираются, собираются и помещаются внутри прозрачного пузыря, образуя слоистые гетероструктуры, оптимизированные для конкретных экспериментальных нужд. Универсальность процесса позволила нам экспериментировать с различными материалами, которые, сочетая свои уникальные свойства, позволяют оптимально поглощать солнечную энергию. «Используя эту технику», читаем на сайте университета, «Группа достигла уровня эффективности, который ставит UPM в число ведущих университетов в этой технологии».

Сегодня ученые работают над новыми методами масштабирования процесса фотоэлектрического производства с использованием 2D-материалов: от раствора до больших поверхностей. «Благодаря методам распыления (напыление покрытия) и нанесению таких растворов можно будет масштабировать производственные процессы, снижая затраты и обеспечивая индустриализацию этой революционной фотоэлектрической технологии», объясняют исследователи.

В то же время было проанализировано реальное влияние, которое интеграция этой технологии окажет на городские центры. По оценкам, моделируя эффект обшивки небоскреба в Мадриде этими материалами в полупрозрачной конфигурации, можно покрыть до 33% энергетических потребностей здания. Этого значения можно достичь, поддерживая оптимальные условия освещения внутри здания, с высоким индексом цветопередачи, адекватным температурным показателем кольцевого перехода и приемлемыми значениями яркости.