Солнечные элементы нового типа на органическом красителе находятся на стадии прототипа

В статье, опубликованной онлайн-версией Angewandte Chemie Михаэль Грацель (Michael Gratzel), профессор химии в EPFL (Швейцарском федеральном технологическом институте Лозанны) представляет модель сенсибилизированных красителем элементов, которые будут прочнее и дешевле существующих вариантов.

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы состоят из нанокристаллов окисла титана, покрытых светопоглощающими молекулами красителя и погруженными в раствор электролита, находящийся как «начинка» между двумя стеклами или закатанный в пластик. Свет, попадающий на краситель, высвобождает электроны и создает «дыры» — области положительного заряда вследствие потери электронов. Полупроводящие частицы двуокиси титана подбирают электроны и переводят их во внешнюю цепь, создавая электрический ток.

Такие солнечные элементы дешевле в изготовлении, чем общепринятые кремниевые фотоэлектрические панели. В принципе, их можно будет использовать для электрогенерирующих окон и фасадов зданий, их можно будет встроить даже в одежду. Konarka, компания из Лоулелла, штат Массачусетс, уже производит сенсибилизированные красителем солнечные элементы в ограниченном количестве. Но технологии есть куда расти.

В существующих на сегодня версиях солнечных элементов электролитический раствор использует органические растворители. Когда элементы нагреваются до высокой температуры, растворитель может начать испаряться и течь. Сейчас исследователи рассматривают новый, лучший материал для электролита: ионные жидкости, используемые сейчас как промышленные растворители. Такие жидкости не испаряются при рабочих температурах солнечных элементов. «Ионные жидкости менее летучие и более надежные», — говорит Брюс Паркинсон (Bruce Parkinson), профессор химии в Колорадском Госуниверситете.

Также ведутся эксперименты с новыми красителями. В коммерческих элементах красители изготавливаются из рутения, драгоценного металла. Но недавно ученые стали рассматривать в качестве альтернативы органические молекулы. «Органические красители выйдут на первое место благодаря своей дешевизне»,— говорит Грацель. Опять же, в долгосрочной перспективе рутений может стать дефицитным.

В своей недавней статье Грацел и его коллеги описывают процесс создания такого элемента, содединяющий в себе оба преимущества. В элементе-прототипе они использовали в качестве электролита ионную жидкость, а краситель был на основе органического соединения индолина. Солнечный элемент превращает свет в электричество с кпд 7,2 процента. Красители на основе рутения достигают кпд в 11 процентов, — сообщает Геральд Мейер (Gerald Meyer), профессор химии в Университете им. Джонса Хопкинса. Но, по его словам, «насколько я знаю, это самый высокий кпд, что можно достичь с помощью органики».

В сенсибилизированном красителем солнечном элементе электроны переходят в слой двуокиси титана, в то время как отверстия переходят в электролит. Так разделяются заряды, которые иначе, соединившись, сократили бы силу тока, генерируемого элементом. Именно разделение зарядов и является главной проблемой с органическими красителями. Грацель с коллегами присоединяли длинные углеводородистые цепочки к одному из концов молекулы красителя на основе индолина. Эти углеводородистые цепочки не проводят электроны и действуют как барьеры между слоем двуокиси титана и электролитом. «Это как молекулярный диэлектрик, препятствующий проникновению электронов и их воссоединению с положительными зарядами в ионной жидкости», — говорит Грацель.

С такой перегородкой между зарядами исследователи могут утоньшить слой двуокиси титана. Тем самым сокращается расстояние, которое должны преодолеть электроны на пути к внешней цепи, что увеличивает кпд элемента.

Однако Паркинсон предупреждает, что работа над солнечными элементами такого типа все еще находится на ранних стадиях. Переход от лабораторного прототипа к коммерческому модулю как правило значительно сокращает кпд. Потребуется еще много усовершенствованиий, прежде чем солнечные элементы, сенсибилизированным красителем смогут захватить большую долю рынка солнечных батарей. «Нам и правда необходим какой-то прорыв, чтобы достичь 15-процентного кпд в лабораторных условиях»,— говорит Паркинсон.