Новый материал позволит создавать сверхтонкие солнечные элементы

Исследователи из Венского технического университета создали структуру, которая может открыть путь к производству сверхтонких солнечных элементов. Учёные успешно совместили два полупроводниковых материала, каждый из которых состоял лишь из 3-х атомных слоёв.

Экстремально тонкие, полупрозрачные и гибкие солнечные элементы скоро станут реальностью. Исследователи Томас Мюллер, Марко Фюрчи и Андреас Поспичи смогли создать полупроводниковую структуру, состоящую из двух сверхтонких слоёв. Такой материал может применяться для преобразования света в энергию.

Несколько месяцев назад команда исследователей уже произвела сверхтонкий слой из кристаллического диселенида вольфрама. Сегодня этот материал удалось совместить с другим слоем из дисульфида молибдена. Успехи учёных дают им надежды на выработку новой технологии солнечных элементов.

Сверхтонкие материалы, состоящие лишь из нескольких атомных слоёв – горячая тема для обсуждений в современном материаловедении. Исследования 2-мерных материалов начиналось с графена, материала, созданного из единственного слоя атомов углерода. Мюллер и его команда, как и другие группы учёных по всему миру, изучали и анализировали методы работы с графеном. В результате, исследователи смогли применить новые знания в работе с другими сверхтонкими материалами.

«Довольно часто 2-мерные кристаллы имеют совершенно иные свойства электронов, нежели у более толстых слоёв того же материала», – отмечает Томас Мюллер. Его команда первой смогла объединить два различных сверхтонких полупроводниковых слоя и изучить их оптоэлектронные свойства.

Диселенид вольфрама – это полупроводник, состоящий из трёх атомных слоёв. Один слой вольфрама заключен между двумя слоями атомов селена. «Мы уже показали, что диселенид вольфрама может использоваться для преобразования энергии света в электричество и наоборот, – рассказывает Мюллер. – Однако фотогальванический элемент, выполненный полностью из диселенида вольфрама, потребовал бы для работы бесчисленное количество мельчайших металлических электродов, очень плотно размещённых (в микрометрах друг от друга). Обойти проблему можно, сочетая новый материал с дисульфидом молибдена, также состоящего из трёх атомных слоёв. Такая гетероструктура может уже использоваться для производства больших по площади солнечных элементов».

Когда свет попадает на светочувствительный материал, отдельные электроны покидают свои исходные позиции. На их месте остаются положительно заряженные дырки. Как дырки, так и электроны могут свободно перемещаться в материале, но вызывать электрический ток они могут лишь тогда, когда не соприкасаются и не рекомбинируют.

Для предотвращения рекомбинации электронов и дырок могут применяться металлические электроды, через которые уходит заряд. «Дырки перемещаются внутри диселенида вольфрама, а электроны мигрируют в дисульфид молибдена, – объясняет Мюллер. – Таким образом, подавляется рекомбинация». Такой вариант возможен, если энергии электронов в обоих слоях имеют необходимое значение. В эксперименте это достигается применением электростатических полей. Было проведено компьютерное моделирование и рассчитано изменение энергии электронов в обоих материалах. На основании этого получено значение напряжения, ведущее к оптимальной выработке электрической энергии.

«Одной из главных задач было объединение двух материалов для создания атомарно тонкой структуры, – говорит Мюллер. – Если между двумя слоями попадается любая молекула, тогда не обеспечивается прямой контакт, а солнечный элемент не работает». Задача была решена при помощи нагрева обоих слоёв в вакууме и совмещении их в обычной атмосфере. Вода между слоями удалялась повторным нагревом структуры».

Часть падающего света проходит сквозь материал. Часть поглощается и преобразуется в электрическую энергию. Материал мог бы использоваться в автомобильном ветровом стекле, где он бы пропускал большую часть света, но в то же время, вырабатывал электричество. Поскольку он состоит из нескольких атомных слоёв, то имеет очень малый вес (300 кв.м. весят лишь 1 грамм) и обладает большой гибкостью. Сейчас команда исследователей занята совмещением более двух слоев, что понизит прозрачность, но повысит электрическую мощность.