Пучок нанотрубок может повысить эффективность солнечных элементов
Тонкопленочные солнечные элементы можно было бы сделать гораздо более эффективным с добавлением пучков углеродных нанотрубок. Так говорят ученые из Лос-Аламосской национальной лаборатории в США, которые показали, что пучки могут быть использованы для того, чтобы умело выполнить два важных шага при генерации электрического тока. Это впервые было продемонстрировано в одном тонкопленочном фотогальваническом материале.
Тонкопленочные фотогальванические материалы превосходят обычные материалы для солнечных батарей, таких как кремний, в том, что они дешевле в производстве, легче и более гибкие. Они работают за счет поглощения фотонов солнечного света и преобразования их в электронно-дырочные пары, известные как «экситоны». Затем, для того, чтобы генерировать электрический ток, электрон и дырка должны быть отделены быстро, пока эти две частицы не сольются вместе и поглотятся в материале. В существующих солнечных элементах, эти экситоны, как правило, поглощаются слишком быстро, что приводит к низкой эффективности.
Джаред Крочет (Jared Crochet) и коллеги считают, что этот процесс разделения в тонкопленочных солнечных элементах может быть облегчен путем добавления пучков полупроводниковых углеродных нанотрубок. Исследователи обнаружили, что в то время как от отдельных нанотрубок мало пользы, эффективность может быть повышена, если нанотрубки связаны вместе в группы, обладающие той же хиральностью. Это свойство описывает направление, в котором лист графена был скручен в трубу - слева направо или справа налево.
Перспективный эффект
Такие пучки нанотрубок реагируют на свет поглощая его таким же образом, как и графен материала родителей, и поэтому разделение зарядов может быть очень эффективным. «Этот эффект является перспективным для включения углеродных нанотрубок в фотоэлектрические устройства, в качестве активных слоев, где может происходить и поглощение света и разделение зарядов», говорит Крочет.
Материалы, используемые в этих экспериментах были получены путем центрифугирования отдельных углеродных нанотрубок таким образом, чтобы трубки одного направления закрутки и одинаковых диаметров объединялись. Исследователи выбрали пучков с диаметром и закруткой такими, при которых сильно поглощается свет с длиной волны около 570 нм, что идеально подходит для солнечных лучей.
Освещая образцы краткой вспышкой света лазера и регистрируя спектр каждые десять фемтосекунд, исследовательская группа Крочета имела возможность наблюдать сигналы, которые характерны при формировании экситонов, а также дополнительные пики, которые указали на образование свободных электронов и дырок. В образцах изготовленных из не-пучковых, индивидуальных углеродных нанотрубок, только пик, соответствующий созданию экситонов был виден.
Разработка приложений для реального мира
Теперь исследователи планируют включить одно-хиральные, полупроводниковые углеродные сети нанотрубок в реальные фотоэлектрические устройства в качестве активного слоя. «Мы в идеале хотели бы видеть все-углеродные солнечные элементы, выполненные из графена, оксида графена и углеродных нанотрубок», говорит Крочет.
Группа также занята тем, чтобы лучше понять диссоциацию экситона и переноса заряда в пучке нанотрубок используя технику высокоскоростной спектроскопии. «Преимущество в том, что материал в устройстве позволяет нам исследовать каждый шаг, от поглощения фотонов до разделения зарядов», заключает Крочет.