Пофарбувати стіни й отримувати енергію: вчені створили новий вид сонячних батарей

Сонячні батареї стають дедалі популярнішим, але вибагливим у догляді та до умов засобом поповнення запасів енергії. Однак вчені створили їм унікальну альтернативу, здатну з легкістю нашаровуватися на будь-які поверхні.

Дослідники з Канзаського університету домоглися значних успіхів у галузі органічних напівпровідників, що може прокласти шлях до створення більш ефективних і універсальних сонячних батарей. Історично кремній був основним матеріалом, використовуваним у сонячній енергетиці. Його висока ефективність і довговічність зробили його кращим вибором для фотоелектричних панелей. Однак жорсткість і висока вартість виробництва сонячних елементів на основі кремнію обмежують їх застосування, особливо на вигнутих поверхнях, пише Interesting Engineering.

На відміну від наявних засобів, органічні напівпровідники, які є матеріалами на основі вуглецю, пропонують гнучкішу та економічно ефективнішу альтернативу. "Потенційно вони можуть знизити вартість виробництва сонячних батарей, оскільки ці матеріали можна наносити на довільні поверхні за допомогою розчинів — так само, як ми фарбуємо стіни, — пояснює Вай-Лун Чан, доцент кафедри фізики та астрономії Канзаського університету і автор дослідження, опублікованого в журналі Advanced Materials. Ба більше, органічні напівпровідники можна налаштувати на поглинання світла певної довжини хвилі, що розширює можливості їх застосування. "Ці характеристики роблять органічні сонячні панелі особливо придатними для використання в екологічних і стійких будівлях нового покоління, — зазначив Чан, — Це відкриває можливості для створення прозорих і кольорових сонячних панелей, які органічно вписуються в архітектурний дизайн".

Незважаючи на ці переваги, органічні сонячні батареї традиційно відстають за ефективністю від своїх кремнієвих аналогів: кремнієві панелі перетворюють на електрику до 25% сонячного світла порівняно з 12% ККД органічних елементів. Останні досягнення відродили інтерес до органічних напівпровідників. Новий клас матеріалів, відомих як нефулеренові акцептори (NFAs), дав змогу наблизити ефективність органічних сонячних батарей до 20%, скоротивши розрив із кремнієм.

Канзаська дослідницька група спробувала зрозуміти, чому NFAs перевершують інші органічні напівпровідники. Під час дослідження вони виявили дивовижне явище: за певних умов збуджені електрони в NFAs можуть отримувати енергію з навколишнього середовища, а не втрачати її. Аспірант Кушал Ріджал керував експериментами з використанням двофотонної фотоемісійної спектроскопії, що дає змогу відстежувати енергію збуджених електронів з точністю до трильйонної частки секунди.

Дослідники вважають, що такий приріст енергії є результатом поєднання квантової механіки та термодинаміки. На квантовому рівні збуджені електрони можуть існувати на кількох молекулах одночасно. Це, в поєднанні з другим законом термодинаміки, змінює типовий напрямок потоку тепла. "Для органічних молекул, розташованих у специфічній нанорозмірній структурі, типовий напрямок теплового потоку змінюється на протилежний, що призводить до збільшення загальної ентропії", — пояснив Ріджал.

Цей зворотний потік тепла дає змогу нейтральним екситонам отримувати тепло з довкілля, дисоціювати на позитивні та негативні заряди і генерувати електричний струм". Крім сонячних батарей, команда припускає, що їхні результати можуть поліпшити інші технології відновлюваної енергії, наприклад, фотокаталізатори для перетворення вуглекислого газу в органічне паливо. "Не дивлячись на те, що ентропія є добре відомою концепцією у фізиці та хімії, її рідко активно використовували для поліпшення роботи пристроїв із перетворення енергії", — підкреслив Ріджал.