Двумерные материалы помогут увеличить срок службы солнечных батарей | Новости науки

Ученые обнаружили, что двумерные материалы могут быть использованы в солнечных батареях в качестве барьерного слоя, что позволяет повысить их эффективность и увеличить срок службы. Компьютерное моделирование показало, что двумерные соединения на основе нитридов цинка устойчивы к воздействию окружающей среды и обладают высокой подвижностью носителей заряда. Эти свойства помогут усовершенствовать солнечные элементы и ускорить переход от традиционных источников энергии к экологически чистым. Результаты исследований, поддержанных грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журналах Physical Chemistry Chemical Physics и Nanoscale.

Солнечные батареи — экологичная альтернатива традиционным источникам энергии, таким как тепловые, атомные и гидроэлектростанции. Однако современные солнечные элементы имеют недостатки в виде низкого КПД (менее 30%) и ограниченного срока службы (около 25 лет). Для повышения эффективности и долговечности солнечных элементов ученые ищут материалы, способные оптимизировать их работу.

Одним из важных направлений является подбор материалов для барьерного слоя солнечных элементов, который разделяет проводящие ток материалы в этих конструкциях и защищает их от пагубного воздействия кислорода, воды и химических веществ, продлевая срок службы. Сейчас для создания барьерных слоев часто используются трехмерные (3D) тернарные нитриды, содержащие три компонента — азот и два металла. Однако двумерные (2D) формы часто оказываются химически активнее и обладают более высокой подвижностью носителей заряда (электронов), что важно для повышения эффективности преобразования света в электричество.

Ученые из Уфимского университета науки и технологий с помощью компьютерного моделирования определили свойства двумерных форм нитридов цинка, содержащих ванадий, ниобий и тантал. Используя квантово-химические методы, они описали распределение электронов в молекулах и измерили подвижность этих заряженных частиц. Оказалось, что подвижность электронов в двумерных соединениях в два раза выше, чем в 3D-формах. Особенно высокая подвижность электронов была зафиксирована в двумерном слое нитрида цинка с ниобием, что сравнимо с самыми высокими известными значениями подвижности электронов в двумерных материалах.

Кроме того, авторы смоделировали взаимодействие двумерных нитридов цинка с атмосферными газами — азотом, углекислым газом, водородом, оксидом азота и водяным паром. Моделирование показало, что все три соединения устойчивы к воздействию азота и углекислого газа, но аммиак и оксиды азота негативно влияли на их функциональные характеристики. Наименьшую устойчивость к аммиаку и оксидам азота показал двумерный нитрид цинка с танталом, который оказался примерно в два раза менее стабилен, чем другие образцы. Это указывает на то, что солнечные элементы с нитридом цинка и танталом прослужат меньше, чем с нитридами цинка и ванадием или ниобием.

«Исследованные двумерные монослои обладают набором характеристик, необходимых для успешного применения в качестве барьерного слоя в солнечных элементах. Это высокая стабильность при воздействии атмосферных газов и высокая подвижность электронов. Работа показывает новые функциональные свойства наноматериалов, которые можно будет использовать для создания высокопроизводительных фотоустройств. В дальнейшем мы планируем расширять проект: помимо синтеза и экспериментального внедрения уже исследованных образцов, мы создадим общедоступную базу данных по двумерным тернарным нитридам», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Андрей Кистанов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории «Металлы и сплавы при экстремальных воздействиях» Уфимского университета науки и технологий.