Из перовскитов и углеродных нанотрубок сделали гнущийся солнечный элемент
Корейские, японские, финские и американские ученые получили гибкий перовскитный солнечный элемент с анодом из углеродных нанотрубок. Чтобы слой нанотрубок был прозрачным, его сделали совсем тонким, а для улучшения проводимости допировали нестехиометричным оксидом молибдена. Полученные солнечные элементы демонстрируют эффективность более 15 процентов и сохраняют ее после десяти тысяч циклов сгибания и разгибания. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Science.
Гибкая электроника развивается стремительными темпами — гнущиеся смартфоны уже представлены на рынке, а ученые и инженеры уже вовсю работают над созданием умной одежды и электронной кожи. Заманчивым выглядит создание гнущихся солнечных элементов (которые можно было бы наносить на поверхность той самой умной одежды, обеспечивая ей дополнительное питание), однако эта задача оказалась неожиданно сложной. Самый популярный материал для солнечных элементов — кремний — для гнущихся элементов не подходит. Эффективность кремниевых солнечных элементов зависит от количества дефектов и стремительно падает после сгибаний и разгибаний. Вместо кремния в гибких солнечных элементах используют другие материалы: первые такие элементы были сделаны из полимерных красителей, а сейчас ученые активно тестируют ячейки на основе тонких пленок перовскитов. Однако, на этом трудности с созданием гнущегося солнечного элемента не заканчиваются. Гибким должен быть не только активный слой, но и все вспомогательные слои, кроме того очень важно прочно скрепить слои между собой, чтобы при сгибании контакт между ними не нарушился. Самые большие трудности возникли с прозрачным электродом — ведь выбор прозрачных проводящих материалов ограничен даже для обычных «негнущихся» устройств. В стандартных перовскитных и органических солнечных элементах чаще всего используют оксид индия-олова (Indium Tin Oxide, ITO) на стеклянной подложке. Сделать его гибким у ученых пока не получается, поэтому приходится искать альтернативы.
Корейские, японские, финские и американские ученые под руководством Шигео Маруямы (Shigeo Maruyama) и Ил Джеон (Il Jeon) из Университета Токио, а также Филиппа Ли (Phillip Lee) из Корейского института наук и технологий сумели изготовить гибкие прозрачные электроды из композита углеродных нанотрубок (УНТ). Чтобы электрод был прозрачным, слой УНТ сделали очень тонким, для повышения прочности добавили к нанотрубкам полиимид, а для улучшения транспортных свойств — нестехиометричный оксид молибдена.
Синтез электрода состоит их нескольких стадий. Сначала ученые изготовили пленки одностенных углеродных нанотрубок с помощью стандартной процедуры нанесения из пара и отдельно получили пленку оксида молибдена MoO3 на стеклянной подложке. После этого две пленки скрепили между собой: положили пленку УНТ сверху на оксид молибдена и нагрели до температуры 70 градусов Цельсия. При этом происходит взаимное проникновение УНТ и MoO3, а также перераспределение зарядов, в результате которого MoO3 теряет кислород и частично восстанавливается до нестехиометричного оксида молибдена MoO3-x. После этого на пленку УНТ наносили раствор исходных соединений для получения полиимида, а затем вновь нагревали пленку до температуры 300 градусов Цельсия. Полиимид образовывал пленку поверх слоя УНТ, однако часть его проникала и внутрь слоя, заполняя пустоты, и делая слой УНТ прочнее. Такую пленку можно было легко отделить от стеклянной подложки, не повредив: достаточно было погрузить подложку в дистиллированную воду. Нижняя сторона пленки УНТ со слоем MoO3-x в дальнейшем становилась верхней проводящей стороной. Средняя толщина пленок была около 7 микрометров, а прозрачность на длине волны 700 нанометров составила 80 процентов — сравнимо с прозрачностью традиционных электродов на основе ITO. Остальные слои наносили на готовую пленку методом накапывания растворов на вращающуюся подложку: сначала дырочно-транспортный слой из полимерного амина PTAA, затем активный слой из перовскитного материала MA0.6FA0.4PbI2.9Br0.1, и электрон-транспортный слой из производного фуллерена PCBM. После этого сверху напылили медный анод.
Полученные солнечные элементы демонстрировали эффективность в 15,2 процента — в целом для перовскитных солнечных элементов это далеко не рекорд (лучшие элементы преодолевают порог в 26 процентов эффективности), однако среди гибких элементов результат очень достойный. Авторы объяснили высокую эффективность свойствами композита УНТ-полиимид. После добавок полиимида поверхность УНТ пленки становится более гладкой (шероховатость менее 500 нанометров), поэтому рекомбинация носителей заряда на границе снижается. Кроме того, заполнение пустот в слое УНТ способствует более равномерному распределению оксида молибдена и лучшей проводимости слоя. Гибкость полученных устройств тоже оказалось впечатляющей — их можно было согнуть вдвое с радиусом гибки 0,5 миллиметра, при этом эффективность сохранялась неизменной после десяти тысяч циклов таких сгибаний и разгибаний.
Перовскитные материалы используются не только в солнечных элементах, но и в других оптических приборах, например фотодетекторах. В прошлом месяце ученые нашли новый простой способ синтеза качественных перовскитных монокристаллов и получили из них фотодетектор с рекордно низким уровнем шума.
Наталия Самойлова
Термопокрывало охладит электромобиль днем и согреет ночью
Китайские инженеры создали терморегулирующий материал и термопокрывало на его основе, которое защищает электромобиль от жары и холода без дополнительных затрат энергии. Термопокрывало состоит из двух частей, одна из которых представляет собой ткань на основе диоксида кремния и нитрида бора, а вторая на основе фольги из алюминиевого сплава. Использование материала в качестве автомобильного чехла позволило в жаркую погоду сохранять температуру в салоне почти на 28 градусов ниже, чем в салоне автомобиля без чехла, а ночью поддерживать температуру батарейного блока электромобиля почти на 7 градусов выше температуры снаружи. Статья опубликована в журнале Device. Поддержание определенной температуры необходимо не только для комфортного самочувствия человека, но и для нормальной работы многих технических устройств. Например, в холодную погоду литий-ионные аккумуляторы теряют емкость, а летом в жару перегреваются, что может привести к сокращению их срока службы или даже возгоранию. Чтобы удерживать температуру в нужном диапазоне, требуется дополнительная энергия на нагрев или охлаждение, и на это может уходить довольно много энергии, особенно если речь идет о больших аккумуляторных батареях — как, например, в электромобилях. Однако существует способ регулировать температуру объекта пассивным образом, не затрачивая для этого дополнительную энергию. По такому пути пошли инженеры под руководством Кэ Хан Цуя (Kehang Cui) из Шанхайского университета транспорта. Они разработали материал, который за счет своих излучательных свойств позволяет регулировать радиационный нагрев и охлаждение, и изготовили из него термопокрывало, которое назвали «термальный плащ Януса». Название в честь двуликого бога из римской мифологии отражает двухстороннее строение материала. Внешняя его сторона играет роль солнцезащитного инфракрасного радиатора, а внутренняя — роль широкополосного инфракрасного отражателя. Внешняя часть материала изготовлена из тонких волокон на основе диоксида кремния, которые покрыты наночастицами нитрида бора с гексагональной кристаллической решеткой. Волокна материала переплетаются вместе и образуют ткань. С обратной стороны к ней прикрепляется внутренний слой, изготовленный из алюминиевого сплава. Внешняя и внутренняя стороны материала обладают различными оптическими свойствами: сторона с тканью имеет высокий коэффициент отражения солнечного света до 96 процентов, а также высокую излучательную способность до 97 процентов в инфракрасном диапазоне, совпадающем с атмосферным инфракрасным окном с длинами волн от 7 до 14 микрометров, в то время как фольга из алюминиевого сплава, расположенная с обратной стороны, обладает высокой отражательной способностью со значением около 93 процентов и не имеет потерь во всем инфракрасном диапазоне (5-16,7 мкм). Это позволяет плащу отражать большую часть падающего солнечного излучения и при этом остывать за счет излучения фотонов в инфракрасном диапазоне. В то же время с внутренней стороны происходит рециркуляция фотонов, излученных объектом — они отражаются от материала. Для оценки эффективности термального плаща исследователи провели испытания с использованием двух электрокаров, припаркованных на открытом воздухе в типичных погодных условиях в Шанхае. Один из автомобилей был укрыт термочехлом. В то время как температура салона незакрытого автомобиля достигала 51 градуса Цельсия в полдень, температура салона автомобиля, укрытого чехлом, была на 27,7 градуса ниже. И на 7,8 градуса ниже значения температуры на улице. Температура батарейного блока автомобиля без чехла соответствовала температуре окружающей среды, в то время как температура батареи электромобиля, укрытого материалом, была на 8 градусов ниже дневной температуры. В зимнюю ночь, когда уличная температура опускалась ниже нулевой отметки, термочехол помогал удерживать температуру батарейного блока на 6,8 градуса Цельсия выше, чем снаружи. Инженеры отмечают, что материал термопокрывала разработан таким, чтобы его можно было масштабировать в производстве. Для этого им пришлось пойти на некоторые компромиссы. Например, использование более тонких волокон кремния повысило бы солнечную отражательную способность, но они были бы менее прочными и не могли бы быть изготовлены с использованием промышленных технологий, уже существующих на рынке. Кроме того, используемые материалы, включая алюминий, кремний и нитрид бора, являются недорогими, что делает плащ легким, прочным и огнестойким. Он может использоваться не только для изготовления автомобильных чехлов, но и, например, в качестве материала для покрытия зданий и даже космических аппаратов. Ткани на основе материалов с разными излучательными свойствами могут использоваться и для создания одежды. Например, недавно мы рассказывали о бельгийских физиках, которые спроектировали ткань, одежда из которой может быть теплой или очень легкой в зависимости от того, какой стороной она надета. Это достигается за счет разницы между излучательными свойствами двух сторон ткани.