В Тюмени произвели революцию в создании элементов для солнечной энергетики

МОСКВА, 9 ноя. Новый метод изготовления тонких пленок для преобразования солнечного света в электроэнергию разработали ученые ТюмГУ. По их словам, уникальный способ получения и нанесения сложного соединения серы, меди, индия и кадмия позволяет сохранить его состав и свойства, что может дать возможность превзойти по эффективности традиционно используемые в солнечной энергетике элементы на основе кремния, рассказали РИА Новости в пресс-службе университета.

"Солнечная батарея работает как "слоеный пирог" из двух коржей с прослойкой между ними. В одном слое — избыток электронов, в другом — свободные места, куда они могут перейти. Когда на батарею попадает свет, электроны высвобождаются и устремляются туда, где их не хватает — так возникает электрический ток", — объяснил один из авторов разработки, доцент Школы естественных наук Тюменского государственного университета (ТюмГУ) Максим Григорьев.

Он уточнил, что прослойка играет роль барьера: она помогает движению быть упорядоченным, а не хаотичным. Однако у самого материала слоев есть важная характеристика — энергетический порог (параметр, показывающий, насколько эффективно материал может поглощать световое излучение), который зависит от его физических и химических особенностей.

По словам исследователя, в настоящее время до 95 процентов мирового рынка солнечных батарей занимают устройства на основе кремния, который практически достиг своего физического предела по КПД — около 29–30 процентов (лучшие лабораторные образцы дают порядка 28 процентов, а коммерческие панели — 19–22 процентов). Дальнейшее улучшение кремниевых элементов дает лишь небольшой прирост, поэтому ученые ищут альтернативные материалы и многослойные (тандемные) конструкции.

Один из таких вариантов — тонкопленочный теллурид кадмия (CdTe), уточнил Григорьев. В готовой панели CdTe устойчив и не возгоняется при условиях эксплуатации, однако при неправильной утилизации (если разбитые панели попадают на свалку и контактируют с кислыми стоками) кристаллическая решетка может разрушаться, и кадмий переходит в растворимую форму и может проникать в почву и грунтовые воды.

Ученые ТюмГУ исследовали тонкие пленки сложного соединения серы с кадмием, медью и индием (сульфида — Cd_₂CuInS_₄) как один из перспективных материалов для фотовольтаики (процесс возникновения электрического тока в различных материалах под действием падающего на них света — прим. ред.). Подобные соединения рассматриваются и другими научными группами, и работа тюменских исследователей посвящена не созданию нового вещества, а методу синтеза и нанесения.

По словам авторов разработки, у синтезированного ими в виде порошка сульфида энергетический порог отличается от эталонного значения менее чем на один процент и при этом имеет важное преимущество перед кремнием и теллуридом кадмия, а именно — относительно простой и безопасный способ получения.

Ранее подобные соединения получали высокотемпературным отжигом в ампулах. В ТюмГУ сульфид синтезировали более простым способом — из водорастворимых солей.

Ученые экспериментально проверили возможность изготовления тонкопленочных фотоэлементов из полученного сложного сульфида. Для этого материал нанесли тонким слоем на кварцевую пластинку. Слой сульфида на поверхности пластинки сохранил свойства исходного порошка. По словам авторов разработки, это доказывает, что материал можно нанести на подложку без разложения и потери основных характеристик.

"Нам удалось из плазмы сделать напыление материала, состоящего из четырех различных элементов, которые собрались в тот же самый материал без потерь. Это как разобрать мозаику на отдельные стеклышки, распылить их в вакуумной камере и ожидать, что они сложатся обратно в ту же картину. Звучит нереально, но у нас это получилось", — объяснил Григорьев.

В будущем исследователи планируют улучшить технологию синтеза смешанных сульфидов и собрать прототип устройства для проверки эффективности веществ в реальных условиях.

Работа выполнена при поддержке программы "Приоритет-2030" (стратегический проект "Ресурсосберегающие технологии для нефтегазовой отрасли, экологически чистой энергетики и защиты окружающей среды").