Новые солнечные нанобатареи

Благодаря новейшим разработкам ученых тип солнечных батарей, созданный еще 20 лет назад, наконец-то сможет стать коммерчески доступным. Новый альтернативный дизайн позволит создать дешевые, печатаемые батареи, которые помогли бы повысить эффективность использования солнечной энергии по всему миру. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Электрохимик Майкл Грэтцель (Michael Grätzel) из Федеральной Политехнической Школы Лозанны (Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne, Швейцария) еще в 1991 г. разработал цветосенсибилизованные нанокристаллические элементы (DSC), использующие молекулы органического красителя для поглощения солнечного света. Поглощенная энергия благодаря переносу электронов с красителя на крошечные наночастицы диоксида титана, на котором расположен краситель, затем преобразовывалась в электрический ток с помощью электродов.

Ученые разработали метод печати множества нанокристаллических элементов на стеклянных панелях и металлической фольге. Благодаря дешевизне титана и относительной легкости изготовления самих нанокристаллических элементов они выглядят привлекательной альтернативой фотоэлектрическим элементам, которые обычно изготавливаются из тонких пленок или пластин кремния и, кроме того, относительно дороги в производстве.

Повышая эффективность

К настоящему моменту КПД таких нанокристаллических элементов достиг 11%, что лишь немного превышает таковой коммерчески доступных кремниевых фотоэлектрических элементов. Такие нанокристаллические элементы уже представлены на рынке и продаются в небольших количествах. Компания G24 Innovations (Великобритания), продает их в мягких пластиковых рамках, а несколько других компаний, в основном из Восточной Азии, продают их на стеклянных панелях, которые могут быть интегрированы в здание.

Однако до настоящего времени использование этой технологии было ограничено. Красители, используемые для сбора солнечного света, содержат атомы дорогого металла рутения. Кроме того, из-за низкой эффективности преобразования энергии нанокристаллические элементы могут создавать ток только низкого напряжения (менее 0,8 В).

Для замыкания электрической цепи и замещения электронов, «выброшенных» из красителя, в наноэлектрических элементах необходимо использовать особое химическое соединение, чтобы переправлять электроны с одного электрода на другой. Ранее для этих целей применялся раствор йода, который забирал электрон с образованием трехйодистых ионов. Такие ионы затем диффундировали через жидкость между электродами, пока не достигали частиц титана.

Но трехйодистые ионы не вполне подходили для этой роли: они теряли энергию на передачу электронов, и в результате в элементах создавался ток низкого напряжения. Недостаток альтернативных переносчиков электронов состоял в том, что электроны могли переходить обратно на краситель, тем самым рассеивая поглощенную солнечную энергию.

Грэтцель с коллегами нашли хорошую альтернативу как дорогим красителям из рутения, так и йодидам, ограничивающим напряжение. В качестве красителей ученые стали использовать комплекс молекул, имеющих в своем составе 3 группы: группу, легко отдающую электроны, группу, принимающую их, и связующую единицу, содержащую группу, поглощающую свет (как в хлорофилле).

В качестве электронного посредника ученые стали использовать органические молекулы, связанные с атомами кобальта, которые могут переключаться между двумя состояниями – захватом и отдачей электрона. Они соединены с красителем с помощью громоздких химических групп, выполняющих роль барьера и не позволяющих электронам перескакивать обратно от посредника на краситель.

В результате нанокристаллическим элементам удалось достичь рекордного напряжения (до 0,97 В) и КПД (до 12,3%). Если КПД удалось бы поднять до 15%, такие устройства стали бы экономически эффективным конкурентом уже существующим кремниевым фотоэлектрическим элементам.

Нерешенные проблемы

Некоторые проблемы остались нерешенными. В частности, электронный посредник ученые растворяют в легколетучем растворителе ацетонитриле, не подходящем для использования в практических устройствах. По словам экспертов, посредник с таким растворителем будет не достаточно стабилен для долгосрочного применения.

Грэтцель уверяет, что он работает над этой и рядом других проблем – например, адаптацией красителя, чтобы тот захватывал больше красного спектра солнечного света, а также тестированием новых кобальтовых посредников, еще больше повышающих напряжение.



Нужна энергия? Просто напечатайте солнечную батарею (фото: Michael Grätzel / Science/AAAS)

Литература:
1. Yella, A. et al. Science 334, 629-634 (2011).
2. Feldt, S. M. et al. Journal of the American Chemical Society 132, 16714-16724 (2010).

По материалам NatureNews