Барьерный слой солнечных элементов разделяет материалы, проводящие электрический ток в солнечных элементах, защищая их от пагубного воздействия кислорода, воды и химических веществ. Производители солнечных элементов используют для создания барьерных слоев тернарные (3D) нитриды, которые имеют в своем составе три компонента – азот и два металла. Альтернативой трехмерным соединениям являются химически активные 2D-формы, которые нередко отличаются более высокой подвижностью электронов (носителей заряда). Последняя отражает способность материала проводить ток: чем она выше, тем эффективнее солнечные батареи преобразуют световую энергию в электричество.
Ученые из Уфимского университета науки и технологий определили свойства двумерных форм нитридов цинка (с ванадием, ниобием и танталом) с помощью компьютерного моделирования, а затем на основе квантово-химических методов описали распределение электронов в молекулах и измерили подвижность этих заряженных частиц. Выяснилось, что подвижность электронов в двумерных соединениях в два раза выше, чем в 3D-формах. При этом подвижность электронов в двумерном слое нитрида цинка не уступала самым высоким известным значениям подвижности электронов в двумерных материалах.
Авторы также смоделировали взаимодействие двумерных нитридов цинка с атмосферными газами – азотом, углекислым газом, водородом, оксидом азота и водяным паром. Моделирование показало, что все три соединения – с ванадием, ниобием и танталом – невосприимчивы к влиянию азота и углекислого газа, но при этом подвержены деградации при взаимодействии с аммиаком и оксидом азота. Наименьшую устойчивость к аммиаку и оксиду азота показал двумерный нитрид цинка с танталом — он оказался примерно в два раза менее стабилен, чем другие образцы. Как следствие, солнечные элементы, в которых в качестве барьерного слоя будет использоваться нитрид цинка с танталом, прослужат меньше, чем те, в которых будут применяться нитриды цинка с ванадием или ниобием.
«Исследованные двумерные монослои обладают набором характеристик, необходимых для их успешного применения в качестве барьерного слоя в солнечных элементах. Это высокая стабильность при воздействии атмосферных газов и высокая подвижность электронов. Работа показывает новые функциональные свойства наноматериалов, которые можно будет использовать для создания высокопроизводительных фотоустройств», – цитирует Российский научный фонд руководителя проекта, кандидата физико-математических наук Андрея Кистанова.
