Покрасить стены и получать энергию: ученые создали новый вид солнечных батарей

Исследователи из Канзасского университета добились значительных успехов в области органических полупроводников, что может проложить путь к созданию более эффективных и универсальных солнечных батарей. Исторически кремний был основным материалом, используемым в солнечной энергетике. Его высокая эффективность и долговечность сделали его предпочтительным выбором для фотоэлектрических панелей. Однако жесткость и высокая стоимость производства солнечных элементов на основе кремния ограничивают их применение, особенно на изогнутых поверхностях, пишет Interesting Engineering.

У Фокус.Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и увлекательные новости из мира науки!

В отличие от имеющихся средств, органические полупроводники, которые являются материалами на основе углерода, предлагают более гибкую и экономически эффективную альтернативу. "Потенциально они могут снизить стоимость производства солнечных батарей, поскольку эти материалы можно наносить на произвольные поверхности с помощью растворов — точно так же, как мы красим стены, — объясняет Вай-Лун Чан, доцент кафедры физики и астрономии Канзасского университета и автор исследования, опубликованного в журнале Advanced Materials. Более того, органические полупроводники можно настроить на поглощение света определенной длины волны, что расширяет возможности их применения. "Эти характеристики делают органические солнечные панели особенно подходящими для использования в экологичных и устойчивых зданиях нового поколения, — отметил Чан, — Это открывает возможности для создания прозрачных и цветных солнечных панелей, которые органично вписываются в архитектурный дизайн".

Несмотря на эти преимущества, органические солнечные батареи традиционно отстают по эффективности от своих кремниевых аналогов: кремниевые панели преобразуют в электричество до 25% солнечного света по сравнению с 12% КПД органических элементов. Последние достижения возродили интерес к органическим полупроводникам. Новый класс материалов, известных как нефуллереновые акцепторы (NFAs), позволил приблизить эффективность органических солнечных батарей к 20%, сократив разрыв с кремнием.

Канзасская исследовательская группа попыталась понять, почему NFAs превосходят другие органические полупроводники. В ходе исследования они обнаружили удивительное явление: в определенных условиях возбужденные электроны в NFAs могут получать энергию из окружающей среды, а не терять ее. Аспирант Кушал Риджал руководил экспериментами с использованием двухфотонной фотоэмиссионной спектроскопии, позволяющей отслеживать энергию возбужденных электронов с точностью до триллионной доли секунды.

Исследователи полагают, что такой прирост энергии является результатом сочетания квантовой механики и термодинамики. На квантовом уровне возбужденные электроны могут существовать на нескольких молекулах одновременно. Это, в сочетании со вторым законом термодинамики, меняет типичное направление потока тепла. "Для органических молекул, расположенных в специфической наноразмерной структуре, типичное направление теплового потока меняется на противоположное, что приводит к увеличению общей энтропии", — пояснил Риджал.

Этот обратный поток тепла позволяет нейтральным экситонам получать тепло из окружающей среды, диссоциировать на положительные и отрицательные заряды и генерировать электрический ток". Помимо солнечных батарей, команда предполагает, что их результаты могут улучшить другие технологии возобновляемой энергии, например, фотокатализаторы для преобразования углекислого газа в органическое топливо. "Несмотря на то, что энтропия является хорошо известной концепцией в физике и химии, она редко активно использовалась для улучшения работы устройств по преобразованию энергии", — подчеркнул Риджал.

Ранее Фокус рассказывал о том, как появляется молния. Электрический заряд, который за секунду раскалывает небо пополам и устремляется в землю, на самом деле является результатом сложных и интересных процессов, происходящих внутри облаков во время грозы.

Также Фокус писал о том, что ученые создали беспроводное подкожное зарядное устройство. Новая разработка позволит избежать опасных и сложных хирургических вмешательств, для повторной зарядки вживляемых медицинских устройств, потребляющих электричество.