Солнечные панели
© Shutterstock/FOTODOM / Sajee Rod
Тюменские учёные предложили новый способ получения тонкоплёночных материалов для фотовольтаики, не меняя их химического состава при нанесении на подложку. По словам исследователей ТюмГУ, метод синтеза и нанесения сложного сульфида кадмия, меди и индия (Cd₂CuInS₄) позволяет сохранить свойства исходного вещества при переводе в слой, что даёт перспективу для создания альтернатив кремниевым и другим существующим элементам.
В пресс-службе университета напомнили, что «Солнечная батарея работает как «слоеный пирог» из двух коржей с прослойкой между ними. В одном слое — избыток электронов, в другом — свободные места, куда они могут перейти. Когда на батарею попадает свет, электроны высвобождаются и устремляются туда, где их не хватает — так возникает электрический ток», — объяснил один из авторов разработки, доцент Школы естественных наук Тюменского государственного университета (ТюмГУ) Максим Григорьев.
Григорьев добавил, что прослойка между слоями действует как барьер, упорядочивающий движение носителей заряда. При этом важной характеристикой материала является энергетический порог — параметр, показывающий, насколько эффективно материал может поглощать световое излучение, и зависящий от физических и химических особенностей вещества.
Исследователи отметили, что до 95 процентов мирового рынка солнечных батарей занимают устройства на основе кремния, который, по их словам, практически достиг своего физического предела по КПД — около 29–30 процентов (лучшие лабораторные образцы дают порядка 28 процентов, а коммерческие панели — 19–22 процентов). Поэтому для существенного увеличения эффективности ищут альтернативные материалы и многослойные (тандемные) конструкции.
Как пояснил Григорьев, одним из таких вариантов является тонкоплёночный теллурид кадмия (CdTe). Он устойчив в эксплуатации и не возгоняется при рабочих условиях, но при неправильной утилизации кристаллическая решётка может разрушаться, и кадмий переходить в растворимую форму, потенциально попадая в почву и грунтовые воды.
В ТюмГУ исследовали сложный сульфид Cd₂CuInS₄ как перспективный материал для фотовольтаики. Учёные подчёркивают, что их работа посвящена не созданию нового вещества, а разработке способа синтеза и метода нанесения тонких плёнок. Ранее подобные соединения получали высокотемпературным отжигом в ампулах; в ТюмГУ сульфид синтезировали более простым способом — из водорастворимых солей.
Авторы разработки сообщают, что синтезированный в виде порошка сульфид имеет энергетический порог, отличающийся от эталонного значения менее чем на один процент, и при этом обладает важным преимуществом перед кремнием и теллуридом кадмия — относительно простым и безопасным способом получения.
Исследователи экспериментально проверили возможность изготовления тонкоплёночных фотоэлементов из полученного сульфида. Материал нанесли тонким слоем на кварцевую пластинку; слой сульфида на поверхности пластинки сохранил свойства исходного порошка. По словам авторов, это доказывает возможность нанесения на подложку без разложения и потери основных характеристик.
Опыты по переносу материала в виде покрытия Григорьев описал так: «Нам удалось из плазмы сделать напыление материала, состоящего из четырех различных элементов, которые собрались в тот же самый материал без потерь. Это как разобрать мозаику на отдельные стеклышки, распылить их в вакуумной камере и ожидать, что они сложатся обратно в ту же картину. Звучит нереально, но у нас это получилось».
В дальнейшем группа планирует совершенствовать технологию синтеза смешанных сульфидов и собрать прототип устройства для проверки эффективности материалов в реальных условиях. Работа выполнена при поддержке программы «Приоритет-2030» (стратегический проект «Ресурсосберегающие технологии для нефтегазовой отрасли, экологически чистой энергетики и защиты окружающей среды»).