Команда учёных из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы в Саудовской Аравии разработала инновационный метод печати солнечных батарей – настолько лёгких, тонких и гибких, что их можно нанести на мыльный пузырь.
В последние годы внимание многих учёных было сосредоточено на разработке компактных электронных устройств, предназначенных для полномасштабных сложных задач. Исследователи со всего мира трудятся над совершенствованием искусственной кожи для роботов, датчиков для дронов, биосенсоров для отслеживания состояния здоровья людей и диагностики заболеваний, однако развитие большинства подобных технологий ограничено возможностями актуальных источников энергии. Чтобы избавить будущее компактных устройств от привязки к сети или громоздким аккумуляторам, учёные из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы сконцентрировались на разработке ультратонкого и лёгкого органического материала для печати солнечных батарей, способных извлекать энергию света как в помещениях, так и на улице.
До недавнего времени сверхтонкие органические солнечные панели, как правило, изготавливали с применением метода центрифугирования или термовакуумного напыления. К сожалению, данные техники ограничивают возможности масштабирования и изменения геометрии готового изделия. Ранее для производства электродов для лёгких солнечных панелей использовали оксид индия-олова – прозрачный для видимого света полупроводниковый материал, главным недостатком которого является отсутствие гибкости и хрупкость. Чтобы обойти ограничения традиционных тонкослойных фотопреобразователей, команда исследователей во главе с профессором Дерьей Баран разработала для каждого слоя архитектуры солнечной панели функциональные чернила, которые можно наносить на подложку посредством струйной печати.
Вместо оксида индия-олова в качестве электрода выступил прозрачный, гибкий, электропроводящий органический полимер PEDOT:PSS. Этот инновационный материал представляет собой смесь двух иономеров: PEDOT – поли(3,4- этилендиокситиофена) и PSS – полистирола сульфоната. Между двумя слоями электрода располагается фотоактивный слой из полупрозрачного органического сополимера P3HT:O-IDTBR и тонкая плёнка прозрачного проводящего оксида цинка, необходимая для улучшения экстракции электронов. И наконец, от внешнего мира сверхтонкую солнечную батарею защищает парилен – полимер, обладающей не только хорошими диэлектрическими и барьерными свойствами, но и устойчивостью к воздействию растворителей, кислот и экстремальных температур.
По словам профессора Дерьи Баран, струйная печать – отличный инструмент для экономичного масштабного производства, однако для выполнения поставленных задач учёным потребовалось основательно доработать картриджи и чернила. Исследователям пришлось повозиться, чтобы столь специфические чернила подавались из крошечных сопел крошечными равномерными каплями. Важную роль в совершенствовании данного процесса сыграл подбор растворителей, поскольку особенности высыхания полимерных чернил напрямую отражались на качестве конечного продукта – тончайших солнечных батарей.
По завершении оптимизации состава чернил для каждого уровня тонкослойных солнечных батарей учёные напечатали фотопреобразователи на стекле для оценки их эффективности. Коэффициент фотоэлектрического преобразования готового фотоэлемента составил 4,73%, что превосходит прежний рекорд для полностью печатных солнечных батарей (4,1%). Кроме того, исследователи из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы впервые напечатали фотоэлементы на сверхтонкой гибкой подложке, в данном случае КПД составил 3,6%. К слову, специалисты также оценили водостойкость тонкослойных солнечных батарей, поместив изделия в сосуды с пресной и морской водой на несколько часов. Учёные утверждают, что их методика позволит создавать универсальные, сверхлёгкие и биосовместимые фотопреобразователи, которые можно будет использовать для питания имплантируемых медицинских устройств.