Ученые предложили метод повышения эффективности солнечных батарей и светодиодов при использовании углеродных точек

Международная группа ученых, куда вошли исследователи из Университета ИТМО, предложила метод, который позволит сделать солнечные батареи и светодиоды заметно более эффективными. При этом ученые смогли добиться такого результата, работая не с основным активным слоем устройств, а лишь доработав вспомогательные слои, отвечающие за транспорт электронов. Работа исследователей опубликована в журнале Advanced functional materials.

Борьба за сохранение экологии, резкие колебания цен на нефть и газ приводят к тому, что инвесторы все чаще обращаются к возобновляемой энергетике. Согласно прогнозу экспертов, доля «зеленой» энергетики в 2024 году в мире вырастет до 30%, то есть практически каждая третья лампочка уже через четыре года будет работать на энергии солнца, ветра или воды. Вот почему ученые в разных странах активно работают над тем, чтобы сделать генерацию из возобновляемых источников максимально эффективной.

Так, сейчас активно ведется работа над повышением КПД солнечных батарей, одного из самых популярных источников «зеленой» энергии в мире. Как правило, ученые работают с активным слоем фотоэлементов, ответственным за поглощение энергии света — сейчас в отрасли идет конкуренция между кремниевыми, арсенидгаллиевыми, перовскитными и другими технологиями. Однако эффективность, стоимость и долговечность батареи зависит не только от активного слоя, но также и от вспомогательных слоев. Повышение их эффективности одновременно со снижением стоимости может позволить поднять конкурентоспособность разработки.

«Вспомогательные слои делаются в основном из органических молекул, полимеров или оксидов различных металлов, — рассказывает ведущий научный сотрудник Университета ИТМО Александр Литвин. — Эти материалы имеют разные недостатки: некоторые имеют низкую стабильность, некоторые — очень дороги и сложны в производстве. Некоторые же подвержены деградации под действием молекул воды и кислорода в окружающей среде. И это при том, что одной из функций вспомогательных слоев является защита активного слоя».

Как же можно варьировать соотношение функциональных групп, находящихся на поверхности углеродных точек? Дело в том, что в данной работе синтез этих наноматериалов основывался на использовании двух прекурсоров: лимонной кислоты и этилендиамина. Меняя соотношение этих веществ при реакции, можно изменить соотношение тех функциональных групп, которые будут находиться на поверхности готовой углеродной точки.

Александр Литвин.

«В данной работе мы использовали углеродные точки в качестве электрон-транспортного слоя, — рассказывает Александр Литвин. — По этой причине нам надо было понижать рабочую функцию материала. Для этого при синтезе мы использовали большее количество этилендиамина, что привело к появлению большего числа аминогрупп на поверхности углеродных точек, что улучшает экстракцию и перенос электронов. Для создания дырочно-транспортного слоя соотношение нужно перевернуть, соответственно, увеличив количество лимонной кислоты».

Полученный таким образом материал можно использовать не только для солнечных батарей, но и для вспомогательных слоев светодиодов. Устройство светодиода в целом сходно, только процесс там обратный — электроны и дырки нужно не извлекать из активного слоя, а, напротив, инжектировать в него, чтобы создать электрон-дырочные пары, рекомбинация которых в активном слое обеспечивает свечение. В обоих случаях зарубежные коллеги ученых из Университета ИТМО получили значительное повышение эффективности устройств, созданных с применением вспомогательных слоев из описанных выше углеродных точек.

«Были созданы устройства, исследованы их характеристики, — заключает Александр Литвин. — В случае с солнечными батареями на основе перовскитов удалось получить увеличение эффективности с 17.3% до 19.5%, то есть практически на 13%. Для светодиодов, в зависимости от конкретного материала эмиссионного слоя, внешняя квантовая эффективность (отношение количества фотонов, излучаемых светодиодом, к количеству электронов, инжектируемых в него) увеличилась в 2.1 – 2.7 раз».

news.itmo.ru