Ученые выяснили, что двумерные материалы можно использовать в солнечных батареях в качестве барьерного слоя, что позволит повысить их эффективность и увеличить срок службы. Компьютерное моделирование показало, что двумерные соединения на основе нитридов цинка маловосприимчивы к воздействию окружающей среды и обладают высокой подвижностью носителей заряда. Эти свойства помогут усовершенствовать солнечные элементы и ускорить переход от традиционных источников энергии к экологически чистым. Результаты исследований, поддержанных грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журналах Physical Chemistry Chemical Physics и Nanoscale.
Структура тандемного солнечного элемента. Источник: Андрей Кистанов
Солнечные батареи — экологичная альтернатива традиционным источникам энергии, таким как тепловые, атомные и гидроэлектростанции. Однако современные солнечные элементы имеют недостатки в виде низкого КПД (менее 30%) и ограниченного срока службы (около 25 лет). Чтобы сделать солнечные элементы эффективнее и долговечнее, ученые ищут материалы, которые смогут оптимизировать работу этих устройств.
Так, актуальны исследования по подбору материалов для барьерного слоя солнечных элементов. Он разделяет проводящие ток материалы в этих конструкциях и защищает их от пагубного воздействия кислорода, воды и химических веществ, продлевая срок службы. Сейчас для создания барьерных слоев часто используются трехмерные (3D) тернарные нитриды. Такие вещества имеют в своем составе три компонента — азот и два металла. Однако исследования на других соединениях показывают, что часто 2D-формы химически активнее и имеют более подвижные носители заряда (электроны). Подвижность электронов показывает способность материала проводить ток. Этот параметр важен для соединений, используемых в солнечных элементах, потому что при повышении подвижности электронов солнечные батареи эффективнее преобразуют свет в электричество.
Ученые из Уфимского университета науки и технологий (Уфа) с помощью компьютерного моделирования определили свойства двумерных форм нитридов цинка: с ванадием, ниобием и танталом. Исследователи с помощью квантово-химических методов описали распределение электронов в молекулах и измерили подвижность этих заряженных частиц. Оказалось, что подвижность электронов в двумерных соединениях в два раза выше, чем в 3D-формах. А в двумерном слое нитрида цинка с ниобием наблюдается аномально высокая подвижность электронов, которая не уступает самым высоким известным значениям подвижности электронов в двумерных материалах.
Кроме того, авторы смоделировали взаимодействие двумерных нитридов цинка с атмосферными газами — азотом, углекислым газом, водородом, оксидом азота и водяным паром. Моделирование показало, что все три соединения невосприимчивы к влиянию азота и углекислого газа. В то же время воздействие аммиака и оксидов азота негативно сказалось на функциональных характеристиках двумерных нитридов цинка. Наименьшую устойчивость к аммиаку и оксиду азота показал двумерный нитрид цинка с танталом — он оказался примерно в два раза менее стабилен, чем другие образцы. Это говорит о том, что солнечные элементы, в которых в качестве барьерного слоя будет использоваться нитрид цинка с танталом, прослужат меньше, чем те, в которых будут применяться нитриды цинка с ванадием или ниобием.
Руководитель проекта Андрей Кистанов за работой. Источник: Андрей Кистанов
«Исследованные двумерные монослои обладают набором характеристик, необходимых для их успешного применения в качестве барьерного слоя в солнечных элементах. Это высокая стабильность при воздействии атмосферных газов и высокая подвижность электронов. Работа показывает новые функциональные свойства наноматериалов, которые можно будет использовать для создания высокопроизводительных фотоустройств. В дальнейшем мы планируем расширять проект: помимо синтеза и экспериментального внедрения уже исследованных образцов, мы создадим общедоступную базу данных по двумерным тернарным нитридам», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Андрей Кистанов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории «Металлы и сплавы при экстремальных воздействиях» Уфимского университета науки и технологий.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда