Работу ученых Института органического синтеза УрО РАН, Уральского федерального университета, Центра цвета Института общей неорганической химии РАН и Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ поддержал Российский научный фонд.
«Мы синтезировали ряд соединений и выявили краситель-лидер. Затем модифицировали его, чтобы получить семейство красителей с заранее заданными свойствами. Из этого семейства один краситель продемонстрировал наилучшие свойства. Наибольшая эффективность преобразования солнечного света в электрический ток в 4,41% достигнута для элемента на основе красителя, содержащего тиено[3,2-b]индол в качестве электронодонорной части. 4,41% — это не рекорд, но вполне надежный результат», — рассказал соавтор разработки, руководитель лаборатории перспективных органических материалов Института органического синтеза УрО РАН Александр Степарук.
Красители и солнечные элементы, с которыми работают ученые, имеют ряд преимуществ. В частности, красители синтезируют из органических веществ, из-за чего они менее токсичны по сравнению с аналогами, в основе которых металлы. Также синтез материалов простой, дешевый и доступный. Он, как объяснили в пресс-службе УрФУ, позволяет варьировать заместители в структуре красителей и таким образом настраивать оптические, электрохимические и электронные свойства красителей. В целом сенсибилизированные красителем солнечные элементы — это простые устройства, созданные из недорогих материалов и не требующие дорогостоящего оборудования и технологий. Стоимость производства сенсибилизированных солнечных элементов в два раза ниже кремниевых батарей (примерно 100 и 200 долларов за один кв. м).
«Сегодня сенсибилизированные солнечные элементы представляют выгодную альтернативу лидеру рынка — более дорогим и сложным технологиям кремниевых солнечных батарей. За рубежом данное направление крайне актуально и активно развивается. Различные компании работают над созданием, модификацией и продажей таких солнечных панелей. Продают даже готовые наборы для самостоятельного изготовления солнечных элементов для различных целей — от учебных до научных. Кроме того, есть примеры интеграции данных батарей в фасады зданий, создания „умных“ теплиц, ферм, гаражей и прочего. Однако на территории РФ в настоящее время ни производств, ни реальных примеров масштабного использования сенсибилизированных красителем солнечных элементов, к сожалению, нет», — отметил соавтор статьи, доцент кафедры технологии органического синтеза УрФУ Геннадий Русинов.
По мнению химиков, эффективность преобразования солнечного света сенсибилизированными солнечными элементами еще не достигла предела и в будущем может сравняться с кремниевыми солнечными батареями.
«В настоящее время эффективность преобразования энергии в сенсибилизированных солнечных элементах составляет около 10 %, рекорд — 14–15 %, но с маленькой площади. Полагаю, в перспективе возможно достичь и уровня кремниевых батарей до 24–29 %», — пояснил Александр Степарук.
Вариантов применения сенсибилизированных красителем солнечных батарей множество. Их можно использовать, например, для зарядки гаджетов или в индустриальном применении в виде полупрозрачных панелей интегрировать на фасады зданий. Если такие элементы встраивать в стекла, можно получить двойной эффект — защиты от шума и попутной электрогенерации.
«Мы измерили эффективность солнечных элементов с нашим красителем при температуре от +10 °С до +55 °С. В первом случае нам удалось достичь эффективности в 5,38 %, но при нагревании мы наблюдали потерю эффективности до 2 %, — констатировал Александр Степарук. — В целом нам с коллегами из ИОНХ РАН и НИУ МИЭТ под руководством Сергея Козюхина и Петра Лазаренко удалось разработать установку, которая позволяет измерять эффективность при различных температурах (от −30 до +60 °С). В настоящее время занимаемся данным вопросом, чтобы понять условия эксплуатации данных элементов, причины деградации и другие важные параметры».
Ученые планируют продолжить работу по синтезу новых красителей с заданными свойствами, апробировать их в солнечных элементах, изучить эффективность в условиях искусственных источников света, а также создать элементы с инвертированной структурой, масштабировать технологию.
Описание новых красителей и их свойств опубликованы в журнале Dyes and Pigments.
