Источник фото — minobrnauki.gov.ru
Инновация сводится к использованию безметалльного красителя вместо дорогостоящего рутения для придания фоточувствительности материалам, использующимся в ячейке.
Ячейка Гретцеля, являющаяся альтернативой кремниевым батареям, состоит из пяти основных элементов: стеклянного анода, покрытого прозрачным и проводящим слоем оксида олова; мезопористого слоя из диоксида титана, нанесенного на анод, который генерирует электроны от взаимодействия со светом; слоя красителя, поглощаемого анодом, что придает последнему фоточувствительность (это и есть процесс сенсибилизации); электролита, проводящего электрический ток и содержащего редокс-медиатор для восстановления красителя; и, наконец, катода из слоя платины, нанесенного на стекло для сбора электронов.
Роль сенсибилизатора, как правило, выполняют красители на основе соединений рутения – переходного металла серебристо-белого цвета, который относится к платиновой группе. Однако применение таких красителей делает фактически невозможным коммерческое внедрение ячеек из-за высокой стоимости рутения. Поэтому в качестве альтернативы могут использоваться более дешевые безметалльные красители, чьи молекулы состоят из фрагментов с избыточной (донорный фрагмент – D) и недостаточной (акцепторный фрагмент – A) электронной плотностью, которых связывает π-электронный мост. Именно такой краситель, с характерной для него D-π-A-архитектурой, опробовали ученые НИУ МИЭТ и институтов РАН.
«Сенсибилизированные солнечные батареи создаются на основе новых безметалльных красителей с D-π-A-архитектурой. Высокая степень поглощения солнечного света красителями обеспечивается развитой системой π-сопряжения в молекулах за счет эффективного внутримолекулярного переноса заряда с донорной на акцепторную часть красителя. Стоимость данных красителей заведомо ниже стоимости подобных коммерческих функциональных материалов за счет комплекса эффективных и надежных подходов к синтезу безметалльных красителей», – приводит Министерство науки и высшего образования РФ в своем пресс-релизе слова Александра Степарука, младшего научного сотрудника Института органического синтеза им. И.Я. Постовского Уральского отделения РАН.
Исследователи изготовили и протестировали опытный экземпляр сенсибилизированных батарей. «Например, эффективность и выходную электрическую мощность замеряли в стандартных условиях освещенности «AM 1.5», что соответствует интенсивности солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце находится под углом 45° к горизонту», – цитирует Минобрнауки старшего научного сотрудника НИУ МИЭТ Петра Лазаренко. «А влияние структурных фрагментов полученных красителей на квантовую эффективность элементов определяли при воздействии монохроматического излучения и при постоянном контроле температуры и влажности. Таким образом мы подтвердили пригодность нашей разработки к эксплуатации в реальных метеорологических условиях».
Оттенок полупрозрачных ячеек можно варьировать за счет изменения структуры красителей, благодаря чему из сенсибилизированных батарей можно составлять разноцветную мозаику, что особенно важно при дизайнерском оформлении фасадов зданий. Эти преимущества должны облегчить поиск инвесторов, которые смогут реализовать сборку элементов в производственных условиях, а затем коммерциализировать разработку.
