Новости химической науки > Солнечные батареи худеют до толщины в несколько атомов

Международная группа исследователей создала отличающееся чрезвычайно высокой квантовой эффективностью, равной 30% (квантовая эффективность – доля фотонов, которые конвертируются в электроны – носители электрического заряда) фотогальваническое устройство толщиной всего в несколько атомов. Новая структура представляет собой сэндвич из полупроводящего дихалькогенид переходного металла [transition metal dichalcogenide (TMDC)] и листов графена.

В результате работы расширен список новых «гетероструктур», основанных на двумерных атомных кристаллов, разработанных в настоящее время исследователями. Новая система может привести к созданию новых типов гибких солнечных батарей или фототранзисторов.

Дихалькогениды переходных металлов представляют собой слоистые материалы, состоящие из двумерной кристаллической решетки, расположенных в вершинах правильных треугольников, размещенной между аналогичными тригональными плоскими кристаллическими решетками атомов халькогенов – серы, селена или теллура. Как известно, эти материалы могут проявлять электрон-фотонные взаимодействия из-за наличия в них сингулярностей Ван Гова (Van Hove singularities) – квантово-механических особенностей, делающих электроны особенно восприимчивым к внешним воздействиям, например – воздействию света.

Невероятно тонкая солнечная батарея. Графен (голубой); дихальколгенид (белый+синий); наночастицы (золото); нитрид бора (фиолетовый+бежевый). (Рисунок из Science, 2013, DOI: 10.1126/science.1235547)

Атнонио Кастро Нето (Antonio Castro Neto), принимавший участие в работе над проектом, отмечает, что исследователям удалось создать сэндвич из компонентов атомной толщины. В качестве внешнего слоя выступает нитрид бора – изолятор и защитная пленка, следующий слой представлял собой графен – прочный, прозрачный и гибкий проводник и, в качестве «мяса» для атомного сэндвича – дихалькогенид переходного металла. Облучение дихалькогенидного слоя приводит к отрыву электронов, которые собираются электроном из графена. Также было обнаружено, что если «приправить» поверхность графена наночастицами золота, эффективность поглощения света увеличивается.

По словам Кастро Нето, толщина полученного устройства не превышает 20 ангстрем. Исследователи хотели посмотреть, может ли что-то такой толщины эффективно генерировать электрический ток, и было показано, что система всего в несколько атомов толщиной может преобразовывать в электричество 30% энергии фотонов.

Генри Снэйт (Henry Snaith), специалист по фотогальваническим устройствам из Университета Оксфорда, полагает, что халькогениды переходных металлов могут стать очень хорошим материалом для фототранзисторов, но вряд ли может оказаться эффективным при изготовлении солнечных батарей.

Кастро Нето отмечает, что следующим этапом исследования будет изучение других двумерных полупроводниковых кристаллов и возможность инкорпорирования таких материалов в другие сэндвичевые структуры для увеличения их эффективности. Также исследователи планируют изучить другие комбинации материалов для создания гетероструктур, что, как полагается, позволит разработать более эффективные фотогальванические материалы.

Источник: Science, 2013, DOI: 10.1126/science.1235547

метки статьи: #нанотехнологии, #неорганическая химия, #новые материалы, #электрохимия