Физики создают солнечную батарею на основе графена и квантовых точек

Международный коллектив ученых из НИЯУ МИФИ, ИТМО и Hosei University (Япония, Токио) начинает работу по созданию гибридных двумерных структур на основе графена и квантовых точек. Цель проекта – создание структуры с контролируемыми оптическими и фотоэлектрическими свойствами для их последующего применения в солнечных батареях. Конечным результатом проекта станет разработка прототипа солнечной батареи с эффективностью, превышающей идентичные характеристики у существующих аналогов.

Для создания наногибридного материала с использованием квантовых точек был выбран графен, который представляет собой кристаллическую углеродную пленку толщиной в один атом. Он обладает уникальными свойствами, среди которых высокая электропроводимость, что делает его очень перспективным материалом, востребованным в наноэлектронике.

"Основной задачей проекта, – как поясняет руководитель проекта, профессор Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" Игорь Набиев, – является создание гибридных наноструктур и исследование физических механизмов, контролирующих фотогенерацию носителей заряда в тонких слоях квантовых точек, нанесенных на поверхность графеновых листов, а также безызлучательного переноса носителей от квантовых точек в графен".

"Мы проведем научно-исследовательскую работу, которая даст понимание того, как можно увеличить эффективность существующих солнечных батарей. Конечный абсолютный результат проекта – прототип солнечной батареи с более высокой эффективностью, чем существующие", – сказал профессор НИЯУ МИФИ Игорь Набиев.

2D гибридные наноструктуры, объединяющие несколько элементов с различными функциональными свойствами и демонстрирующие синергетический эффект, являются перспективными "строительными блоками" для получения новых типов наноструктурированных материалов с требуемыми оптическими и фотоэлектрическими свойствами. Во-первых, удается использовать уникальные свойства квантовых точек как эффективного концентратора световой энергии в широком спектральном диапазоне; во-вторых, – в ход идут особые электрические свойства графена.

Как рассказал профессор Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) Александр Баранов, перед командой ученых поставлены задачи формирования плотноупакованных 2D-структур из синтезированных в МИФИ квантовых точек на поверхности графена и изучения их электрооптических свойств.

В ходе выполнения проекта будут установлены физические механизмы, контролирующие фотогенерацию носителей в тонких слоях квантовых точек, определены эффективность безызлучательного переноса носителей от квантовых точек к графену и параметры (статические и кинетические) фотоэлектрического отклика гибридной структуры на ее облучение светом различного спектрального состава и интенсивности.

В результате выполнения проекта будут получены прототипы конкурентноспособных фотовольтаических (преобразующих солнечный свет в электроэнергию) систем нового поколения, отличающихся повышенной эффективностью за счет эффекта мультиэкситонной генерации – ударной ионизации, сопровождающейся умножением фотоносителей тока. Также, вследствие использования квантовых точек, будут устранены "окна прозрачности" сбора солнечной энергии, являющихся слабыми сторонами используемых солнечных батарей на базе кремния и германия.

"Увеличение эффективности новых систем на несколько процентов, по сравнению с применяемыми в настоящее время солнечными батареями, может составить реальный прорыв в создании новых источников возобновляемой энергии", – считает Игорь Набиев.

По словам ученого, "эта научная инициатива является примером сотрудничества российских университетов – участников программы "Проект 5-100”.