Солнечная энергия играет важную роль в борьбе с изменением климата как заменитель ископаемого топлива. Сенсибилизированные красителем солнечные элементы обещают стать недорогим дополнением к фотоэлектрическим системам, которые мы знаем сегодня. Их главная особенность — сенсибилизаторы красителей, прикрепленные к их поверхности. Исследователи из Базельского университета продолжают улучшать эффективность сенсибилизаторов с использованием железа — широко доступного и экологически чистого металла.
Сенсибилизаторы — это ярко окрашенные соединения, которые поглощают свет и преобразуют его энергию в электричество, высвобождая электроны и «вводя» их в полупроводник. До сих пор сенсибилизаторы, используемые в сенсибилизированных красителями солнечных элементах, либо были относительно недолговечными, либо требовали использования очень редких и дорогих металлов. Таким образом, святым Граалем фотоэлектрических исследований является разработка сенсибилизаторов с использованием железа — металла, который является экологически чистым и наиболее распространенным переходным металлом на нашей планете.
В течение многих лет эксперты считали соединения железа непригодными для этих применений, поскольку их возбужденное состояние после поглощения света слишком непродолжительно, чтобы их можно было использовать для производства энергии. Ситуация изменилась около семи лет назад с открытием нового класса соединений железа с так называемыми N-гетероциклическими карбенами (NHC).
Исследовательская группа, возглавляемая профессором Эдвином Констеблем и профессором Кэтрин Хаускрофт на химическом факультете Базельского университета, работает с этими соединениями в течение ряда лет. Команда, возглавляемая руководителем проекта доктором Марией Беккер, теперь сообщает о своих результатах с сенсибилизатором на основе нового семейства NHC в специализированном журнале Dalton Transactions.
Немного уксуса и жира
«Мы знали, что должны разработать материалы, которые будут прилипать к поверхности полупроводника и чей характер позволит одновременно оптимизировать расположение функциональных светопоглощающих компонентов на поверхности», — объясняет Беккер.
Исследователи использовали двоякий подход к этим проблемам: во-первых, они включили группы карбоновых кислот (как в уксусе) в соединение железа, чтобы связать его с поверхностью полупроводника. Во-вторых, они сделали соединения «жирными», добавив длинные углеродные цепи, которые сделали поверхностный слой более жидким и более легким для закрепления.
Эти сенсибилизированные красителем прототипы солнечных элементов достигли общей эффективности только 1%, в то время как сегодняшние коммерчески доступные солнечные элементы достигают эффективности около 20%. «Тем не менее, полученные результаты являются важной вехой, которая будет стимулировать дальнейшие исследования этих новых материалов», — убежденно говорит Беккер.
