Исследователи из Северо-Западного университета (Northwestern University) штата Иллинойс разработали материалы на основе углерода, которые могут революционизировать процесс сбора солнечной энергии. Новый материал для солнечных батарей – прозрачный проводник, изготовленный из углеродных нанотрубок, представляет альтернативу современной технологии, которая полагается на хрупкий и сравнительно редкий материал.

Из-за обилия углерода на Земле углеродные нанотрубки обладают потенциалом для увеличения долгосрочной жизнеспособности солнечной энергетики, делая ее экономически эффективным ответом на растущие технологические запросы. Кроме того, механическая гибкость позволяет интегрировать солнечные элементы в ткани и одежду, что позволяет получать портативные источники энергии, которые могут применяться в различных областях, начиная от портативной электроники, до применения в войсках.

Исследования, возглавляемые профессором материаловедения и инженерии и профессором химии Марком К. Херсэмом (Mark C. Hersam), и профессором каталитической химии Тобином Дж. Марксом (Tobin J. Marks), нашли свое отражение в публикации, помещенной в выпуске журнала «Вопросы перспективных материалов электроэнергетики» за октябрь 2011 г. Это новый журнал, специализирующийся в области науки о материалах, применяемых в электроэнергетике. Тема статьи была вынесена на обложку журнала.

Mark C. Hersam	Tobin J. Marks

Солнечные фотоэлементы состоят из нескольких слоев, включая прозрачный слой проводника, позволяющий свету попадать в ячейку, и в то же время, проводить электрический ток. Материал для этого слоя должен быть электропроводящим и, одновременно, оптически прозрачным. Очень мало материалов одновременно обладает обоими этими свойствами.

В настоящее время оксид индия-олова является основным материалом для прозрачного слоя. Но этот материал имеет два серьезных недостатка. Материал механически хрупок, что исключает применение его в приложениях, требующих эластичности. Кроме того, основа материала – достаточно редкий элемент индий. Поэтому прогнозируемое увеличение спроса на солнечные батареи может поднять цены на индий до проблематично высокого уровня.

«Если солнечная энергетика станет действительно широко распространена, как все надеются, это скорее всего вызовет кризис в поставках индия», – сказал Херсэм, – «Тем более, есть желание применять материалы, распространенные на земле, такие, как углерод, которые могут занять место индия в солнечной технологии».

Херсэм и Маркс создали альтернативу оксиду индия-олова, использовав однослойные углеродные нанотрубки, крошечные цилиндры из углерода диаметром всего один нанометр.
Исследователи пошли дальше. Они определили тип нанотрубок, наиболее эффективных в прозрачных проводниках. Свойства нанотрубок варьируются в зависимости от их диаметра и кирального угла (угол, который описывает расположение атомов углерода по длине нанотрубки). Эти свойства определяют два типа нанотрубок – металлические и полупроводниковые.

Исследователи обнаружили, что металлические нанотрубки в 50 раз более эффективны, чем полупроводниковые при использовании в качестве прозрачных проводников в органических фотоэлементах.
«Сейчас мы определили именно тот тип углеродных нанотрубк, который должен быть использован в данном приложении» – сказал Херсэм.

Так как, в отличие от хрупкого оксида индия-олова, углеродные нанотрубки гибкие, исследователи могут предложить новые области применения солнечных элементов. Военные могут встраивать фотоэлементы в материал палаток или в обмундирование солдат. Фотоэлементы могут быть интегрированы в одежду, рюкзаки, сумки для носимой электроники.

Исследователи в настоящее время изучают возможности замены других слоев солнечных элементов углеродными наноматериалами.