Внедрив клеточные мембраны на основе биомолекул, ученые из Университета штата Пенсильвания (PSU) в США создали защитные барьеры для перовскитных солнечных элементов нового поколения, что позволило улучшить их производительность. Об этом сообщает портал TechXplore. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Исследователи PSU разработали синтезированную версию природных липидных биомолекул (основным компонентом клеточных мембран в живых организмах), чтобы защитить от деградации, вызываемой влагой, структуры перовскита – наиболее перспективного материала для солнечных батарей будущего.
«Молекулы природных липидов очень хорошо противостоят влаге и не подвержены растворению в воде. Взяв молекулу, которая развивалась в природе в течение многих миллионов лет с определенными функциями, мы рассмотрели, может ли материал на ее основе выполнять ту же функцию в нашем искусственном устройстве», – рассказал докторант PSU Юйчен Хо, один из ведущих соавторов нового исследования.
По словам Хо, перовскиты являются наиболее многообещающей технологией солнечных элементов, поскольку они превосходят по эффективности традиционный кремний. Но этот материал быстро разлагается под воздействием влаги, а предыдущие попытки создать защитные слои неизбежно приводили к снижению эффективности и увеличению затрат.
С помощью нового метода биомолекулы формируют нанотонкий слой вокруг перовскита, защищая его от неблагоприятных внешних воздействий и увеличивая срок службы устройства. Таким образом, этот метод дешевле и проще, чем даже традиционные методы изготовления кремниевых солнечных элементов, и при этом дает материал с очень высокими фотоэлектрическими свойствами.
Как пояснили другие соавторы исследования PSU – Луяо Чжэн и Кай Ванг, типичный процесс изготовления перовскитов включает в себя сжижение прекурсоров и других химических ингредиентов в растворителе, а затем затвердение полученного раствора в тонкие пленки. Далее готовый материал укладывается с другими слоями для создания солнечного элемента.
Добавление жирового биоматериала к жидким ингредиентам перовскита создавало эмульсию: материалы разделялись, как масло и вода, но оставались равномерно распределенными, что позволило биоматериалам сформировать тонкий защитный слой вокруг компонентов перовскита, создав двухслойную структуру.
«Прямое нанесение этих микроэмульсионных чернил в одностадийном процессе запускало процесс самосборки, при котором верхний слой состоит из наночастиц, обернутых биомолекулярной мембраной», – дополнил Ванг.
На основе своей методики исследователи PSU создали прототипы перовскитных солнечных элементов площадью 65 кв. см и провели их полевые испытания в Пенсильвании с октября по февраль. Устройства показали стабильную фотоэлектрическую эффективность на уровне более 19% в течение 116 дней непрерывного использования в естественных погодных условиях, включая снег и влажность.
Это сравнимо с эффективностью коммерческих кремниевых солнечных элементов, которая при тех же условиях обычно составляет от 15% до 20%, но исследователи заявляют, что их разработка проще и дешевле, чем существующие на сегодня техпроцессы, что делает ее хорошим кандидатом на коммерциализацию. Добавление биоматериалов не приводит к значительному увеличению производственных затрат, так как требуется лишь небольшое количество сырья, причем недорогого.
Кроме того, биоматериалы намного более экологичны, поскольку представляют собой молекулы, полностью идентичные натуральным. Они не наносят вреда окружающей среде и способны легко разлагаться. При производстве традиционных фотоэлектрических материалов, напротив, часто используются нанометаллические элементы, которые могут быть токсичными или трудно выводимыми из естественной биосреды.