Работа основана на недавних успехах Sandia в области металлоорганических каркасных материалов (MOF) путем их комбинирования с сенсибилизированными красителем солнечными элементами (DSSC).
«Многие люди работают с DSSC, но мы думаем, что наш опыт работы с MOF дает нам инструмент, которого нет у других», — сказал Эрик Сперке из Sandia, ученый-материаловед с долгой историей исследований солнечных элементов в лабораториях.
Проект Sandia финансируется в рамках программы SunShot Next Generation Photovoltaic Technologies III, которая спонсирует проекты, в которых применяются многообещающие фундаментальные науки о материалах, доказанные на уровне свойств материалов, для демонстрации улучшений фотоэлектрического преобразования для достижения или превышения целей SunShot.
Инициатива SunShot — это совместная национальная инициатива, которая активно стимулирует инновации с целью сделать солнечную энергию полностью конкурентоспособной с точки зрения затрат по сравнению с традиционными источниками энергии до конца десятилетия.
Через SunShot Министерство энергетики поддерживает усилия частных компаний, университетов и национальных лабораторий по снижению стоимости солнечной электроэнергии до 6 центов за киловатт-час.
DSSC обеспечивают основу для будущих достижений в производстве солнечной электроэнергии
В сенсибилизированных красителями солнечных элементах, изобретенных в 1980-х годах, используются красители, предназначенные для эффективного поглощения света в солнечном спектре.
Краситель сопряжен с полупроводником, обычно диоксидом титана, который облегчает преобразование энергии оптически возбужденного красителя в полезный электрический ток.
DSSC считаются значительным достижением в фотоэлектрической технологии, поскольку они разделяют различные процессы генерации тока от солнечного элемента.
Майкл Грацель, профессор Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии, был удостоен Премии тысячелетия в области технологий 2010 года за изобретение первого высокоэффективного DSSC.
«Если у вас не все в DSSC, зависящее от всего остального, гораздо проще оптимизировать ваше фотоэлектрическое устройство наиболее гибким и эффективным способом», — пояснил старший научный сотрудник Sandia Марк Аллендорф. По словам Аллендорфа, DSSC, например, могут улавливать больше солнечной энергии, чем солнечные элементы на основе кремния, за счет использования различных или нескольких красителей, а также могут использовать различные молекулярные системы.
«Он становится почти модульным с точки зрения компонентов клетки, каждый из которых способствует более эффективному производству электричества из солнечного света», — сказал Спирк.
Структура, универсальность и пористость MOF помогают преодолеть ограничения DSSC
Несмотря на то, что DSSC являются источником оптимизма для сообщества исследователей солнечной энергии, они обладают определенными проблемами, которые, по мнению исследовательской группы Sandia, можно преодолеть, объединив их с MOF.
Аллендорф сказал, что исследователи надеются использовать упорядоченную структуру и универсальный химический состав MOF, чтобы помочь красителям в DSSC поглощать больше солнечного света, что, по его словам, является фундаментальным ограничением их эффективности.
«Наша гипотеза состоит в том, что мы можем нанести тонкий слой MOF поверх диоксида титана, что позволит нам заказывать краситель именно так, как мы хотим», — пояснил Аллендорф. Это, по его словам, должно избежать проблемы агрегации красителя, снижающей эффективность, поскольку в этом случае краситель будет заблокирован в кристаллической структуре MOF.
По словам Аллендорфа, эксперта по MOF и 29-летнего ветерана Sandia, MOF — это материалы с высоким заказом, которые также обладают высокой пористостью.
Он называет эти материалы «игрушками для химиков» из-за легкости, с которой можно представить и собрать новые структуры.
Аллендорф сказал, что уникальная пористость MOF позволит исследователям добавить второй краситель, помещенный в поры MOF, который покроет дополнительные части солнечного спектра, которые не были покрыты первоначальным красителем. Наконец, он и Сперк убеждены, что MOF могут помочь улучшить общий заряд электронов и поток солнечного элемента, который в настоящее время сталкивается с проблемами нестабильности.
«По сути, мы считаем, что MOF могут помочь более эффективно организовать электронную и наноструктуру молекул в солнечном элементе», — сказал Сперк. "Это может иметь большое значение для повышения эффективности и стабильности этих собранных устройств."
Помимо команды Sandia, в проекте участвуют исследователи из Университета Колорадо-Боулдер, в частности Стив Джордж, эксперт в технологии тонких пленок, известной как осаждение атомных слоев.
Этот метод, по словам Сперка, важен тем, что он предлагает путь для строго контролируемой химии материалов с потенциально недорогим производством процесса DSSC / MOF.
«С помощью комбинации MOF, сенсибилизированных красителем солнечных элементов и осаждения атомных слоев мы думаем, что сможем понять, как контролировать все ключевые интерфейсы ячеек и материальные элементы так, как никогда раньше не было», — сказал Сперк. "Вот что делает этот проект захватывающим."