Коллаборации российских ученых из Южно-Уральского госуниверситета и Института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН работает над научным проектом по созданию материалов для солнечных батарей нового поколения на основе органических фотосенсибилизаторов. В результате будут получены более эффективные и простые в производстве экологичные устройства для выработки энергии. По данной теме в журнале Molecules, индексируемом базой данных Scopus вышла статья.
Экологически чистый источник энергии станет эффективнее
Растущие потребности человечества в экологически чистой и возобновляемой энергии привели к тому, что сегодня ученые по всему миру стремятся создать эффективные преобразователи солнечного света в электричество. Достижение этой цели с помощью фотовольтаических устройств привлекает особое внимание специалистов. Так, экологически чистые фотовольтаические устройства основаны на использовании органических молекул в качестве основных компонентов, а их преимущества заключаются в высокой эффективности, легкости изготовления ячеек и относительно низкой стоимости. Ключевую роль в таких устройствах играют органические фотосенсибилизаторы, которые и определяют их производительность.
«Поиск новых эффективных органических сенсибилизаторов является важной и современной задачей, ориентированной на решение проблемы перехода к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике. Среди богатейшего многообразия органических соединений в качестве красителей, способных сенсибилизировать фотовольтаические устройства, были интенсивно исследованы как полимерные соединения, так и малые индивидуальные молекулы. На настоящий момент не существует строгой системы предсказаний эффективности фотовольтаического устройства в зависимости от структуры красителя, поскольку на это влияет целый комплекс различных факторов. Разработка нового семейства эффективных фотосенсибилизаторов приведет к тому, что устройства на их основе будут обладать высокими значениями эффективности преобразования света, что делает их перспективными для применения на практике», — рассказывает доктор химических наук, профессор Олег Ракитин.
В настоящее время на рынке солнечных элементов доминируют монокристаллические и поликристаллические кремниевые солнечные элементы первого поколения, на которые в 2010 году приходилось 89% доли рынка. Тем не менее, кремниевые технологии имеют ряд существенных недостатков, сдерживающих их повсеместное использование. Кремний особой чистоты дорог, а фотоэлементы из кремния должны обладать большой толщиной из-за слабой абсорбции света. Органические красители значительно дешевле, чем их кремниевые аналоги, их изготовление потенциально более просто, а варьирование структур практически не ограничено. Кроме того, органические сенсибилизированные красителем солнечные ячейки (СКСЯ) имеют высокие оптические коэффициенты поглощения и относительно высокую фотовольтаическую эффективность, что позволяет считать эту технологию наиболее перспективной.
Научный коллектив проекта
Новые материалы обезопасят от пожаров
Одним из основных направлений исследований в данной области является усовершенствование структуры сенсибилизатора, которое на сегодняшний день развивается в двух категориях: полипиридиновые комплексы металлов и безметалльные органические красители. Первая группа фокусируется на комплексах рутения, которые имеют хорошую эффективность (больше 10%), высокое значение тока и широкий диапазон длин волн поглощения фотонов, однако недостатками этих красителей являются высокая стоимость и ограниченные ресурсы рутения. В связи с этим исследования в области более дешевых безметалльных органических красителей необходимы для того, чтобы превзойти свойства рутениевых сенсибилизаторов.
Таким образом, главной задачей проекта является развитие стратегии синтеза органических сенсибилизаторов — основных компонентов эффективных фотовольтаических устройств. Результаты исследования найдут применение не только при создании солнечных батарей. Так, новые красители будут использованы для конструирования органических светоиспускающих диодов, обладающих спектральными характеристиками свечи. Такие светодиоды безвредны и обладают низкой цветовой температурой, они не представляют опасности пожара или горения. Создание таких органических светоиспускающих диодов превзойдет мировой уровень.