Позаимствовав клеточные мембраны, защитные барьеры вокруг клеток во всех живых организмах, ученые из университета Пенсильвании разработали новый, экономически эффективный метод создания солнечных устройств на основе биоинспекции, которые могли бы улучшить производительность солнечной технологии следующего поколения.
Исследователи объединили перовскитовый материал для солнечных элементов, названный так из—за их уникальной кристаллической структуры, которая превосходно поглощает видимый свет, с синтезированной версией природных липидных биомолекул, чтобы помочь защитить от разрушения, вызванного влагой. Эти биомолекулы представляют собой жирные или воскообразные вещества, вырабатываемые нашим организмом, которые не растворяются в воде, как холестерин, и являются основным компонентом клеточных мембран.
Биомолекулы образовали мембраноподобный слой вокруг перовскита, повышая стабильность и эффективность тестов. Этот подход может оказать преобразующее влияние на конструкцию перовскитных солнечных элементов, сообщили ученые в журнале Advanced Energy Materials.
“Молекулы липидов, естественно, очень устойчивы к влаге и не могут растворяться в воде”, – сказал Ючен Хоу, который проводил это исследование, будучи докторантом факультета материаловедения и инженерии Пенсильванского университета. “Мы берем молекулу, которая эволюционировала в природе в течение многих миллионов лет с определенными функциями, и смотрим, может ли материал выполнять ту же функцию в нашем искусственном устройстве”.
По словам Хоу, перовскиты являются многообещающей технологией солнечных элементов, поскольку они превосходят по эффективности традиционный кремний. Но материал быстро разлагается под воздействием влаги, подобной влажности воздуха, и предыдущие попытки создать защитные слои привели к снижению эффективности и увеличению затрат, говорят ученые.
С помощью нового метода биомолекулы образовали нанотонкий слой вокруг перовскита, защищая его от воздействия внешних факторов и продлевая срок его службы. По словам Хоу, этот метод дешевле и проще, чем обычные методы изготовления кремниевых солнечных элементов, и все же в результате получается материал с хорошими электрическими свойствами, позволяющий создавать большие устройства без ущерба для эффективности или количества солнечного света, которое элементы могут преобразовать в электричество.
“В этой работе мы пытаемся решить две основные проблемы в области перовскитных солнечных элементов — эффективность и стабильность”, – сказал Луяо Чжэн, аспирант кафедры материаловедения и инженерии Пенсильванского государственного университета и соавтор исследования. “Я думаю, что главным достижением здесь является то, что мы смогли создать очень большой модуль с действительно хорошей однородностью по большой площади, и мы также смогли сохранить очень хорошую эффективность и стабильность”.
Типичный процесс получения перовскитов включает в себя влажную химию — прекурсоры, или ингредиенты, разжижаются в растворе растворителя, а затем затвердевают в виде тонких пленок. Затем этот материал накладывается на другие слои, чтобы создать солнечный элемент.
Когда вода вступает в контакт с перовскитами, материалы начинают разлагаться, образуя ионы свинца, которые придают жидкости желтый цвет в этих лабораторных тестах. Липидные биомолекулы, использованные в этом исследовании (нижний ряд, середина), защищали перовскит, обеспечивая лучшую стабильность при сохранении эффективности.
Добавление жирового биоматериала к жидким предшественникам перовскита создавало эмульсию — материалы разделялись подобно маслу и воде, но оставались равномерно распределенными друг по другу. Такая динамика позволила биоматериалам образовать тонкий слой снаружи перовскита, создавая двухслойную структуру.
“Непосредственно нанося эти микроэмульсионные чернила в ходе одностадийного процесса, мы наблюдали процесс самосборки, когда верхний слой состоит из наночастиц, обернутых биомолекулярной мембраной”, – сказал Кай Ван, доцент кафедры материаловедения и инженерии и соавтор исследования. “Мы ожидаем, что эта новая двухслойная концепция откроет пути для включения молекул, вдохновленных биологией, в совершенствование технологии солнечных элементов”.
Используя методы моделирования, ученые обнаружили, что интерфейс также улучшает электронные свойства материала и уменьшает поверхностные дефекты, которые ограничивают эффективность перовскита.
Исследователи создали солнечные элементы площадью 10 квадратных дюймов и провели их полевые испытания в Пенсильвании с октября по февраль. Устройства показали стабильную эффективность более 19% в течение более чем 116 дней непрерывного использования в естественных погодных условиях, включая снег и влажность. Это сопоставимо с эффективностью коммерческих кремниевых солнечных элементов, которая часто составляет от 15% до 20%, но исследователи заявили, что их подход к изготовлению проще и дешевле, чем коммерческие процессы.
“Как правило, когда вы увеличиваете площадь модуля, эффективность солнечного элемента очень быстро снижается — вы видите очень резкое падение”, – сказал Чжэн. “Но в этой работе, когда мы увеличили масштаб модуля, мы не увидели существенного снижения. Я думаю, что это изюминка нашей работы”.
По словам ученых, этот процесс может стать хорошим кандидатом для коммерциализации. Добавление биоматериалов существенно не увеличит производственные затраты — требуется лишь небольшое количество материала, и это недорого. Кроме того, биоматериалы относительно безвредны для окружающей среды.
“Когда мы говорим о добавках, они часто добавляют очень мелкие нанометаллические материалы, которые вызывают некоторые опасения по поводу их токсичности или трудноудаляемости от природы”, – сказал Хоу. “Но этот материал состоит из полностью натуральных молекул. Он не нанесет вреда окружающей среде и может легко разлагаться в природе”.
Исследователи заявили, что дополнительная работа будет включать создание более крупных солнечных устройств и проведение систематического исследования других биомолекул, которые могли бы обладать аналогичными полезными свойствами.
“Нам еще многому предстоит научиться у природы”, – сказал Хоу. “Натуральные материалы и природные структуры по-прежнему могут вдохновлять нас при создании устройств из искусственных материалов. Я думаю, что эта работа является примером того, как мы можем учиться у природы, чтобы укрепить наши искусственные устройства”.