Свет откроет все замки Новый материал обещает прорыв в солнечной энергетике

отметили
43
человека
в архиве

Группа ученых из России, Германии и Белоруссии создала новый материал, который сулит прорыв в солнечной энергетике, а также разработке новых биологических систем.
Руководитель этого исследования Екатерина Скорб приехала в Санкт-Петербургский университет ИТМО из знаменитого Гарварда, где два года работала у самого цитируемого в мире химика Джорджа Вайтсада. А ранее 10 лет руководила научной группой в Институте Макса Планка (Германия). Почему она сменила научные «мекки» на пока не столь громкий в научном сообществе питерский вуз?

— Во всем мире мобильность ученого давно принятая практика, — сказала она корреспонденту «РГ». — Сейчас здесь созданы условия, которые для меня наиболее приемлемы, чтобы делать науку на мировом уровне. Если в Институте Планка у меня была небольшая группа, то здесь предоставлена лаборатория, оборудованная на самом современном уровне, а значит, масштаб работ может быть намного шире. Кроме того, исследования, которыми я занимаюсь, являются междисциплинарными, надо привлекать теоретиков, математиков, химиков, программистов и т.д. А в вузе недавно создан междисциплинарный кластер, куда вошли в том числе и такие специалисты. Так что есть все условия для серьезных исследований.

Работы Екатерины Скорб сулят серьезные прорывы, причем в самых разных сферах науки, от солнечной энергетики до биохимии. В основе исследований — материал наноструктурированный оксисульфид висмута. По признанию Скорб, он сильно удивил ученых. Дело в том, что сам материал хорошо известен, но ученые решили получить его новым способом. И вдруг произошло почти чудо: поменялась не только структура материала, он обрел принципиально новые и свойства.

Она сменила научные «мекки» — Гарвард и Институт Макса Планка — на «негромкий» питерский вуз

— Как известно, в солнечной батарее при попадании света на фотоэлементы фотоны выбивают электроны, в результате возникает электрический ток, — говорит Скорб. — В нашем материале происходит то же самое, но количество электронов на порядки больше, чем у традиционных систем. Один фотон «порождает» 2500 электронов.

Цифра, прямо скажем, фантастическая. Почему подобное возможно? По словам Скорб, причина в особом свойстве нового материала. По сути, он работает, как диод в электрической сети. Запирает выход для электронов, накапливая их в ожидании прилета фотона. А вот он словно ключ открывает «копилку», и тогда огромный поток электронов уходит в электрическую сеть. «Сейчас мы ищем варианты, как наиболее оптимально использовать в солнечной энергетике такой гигантский выход», — говорит Скорб.

Другая очень важная сфера применения нового материала — биологические системы. Их можно повергнуть в шок и заставить в корне изменить свою жизненную программу, поместив в мощный заряд электронов. Например, бактерии, которые не способны вызывать реакцию фотосинтеза, так перепрограммировать, что они начнут не только поглощать углекислый газ, но и получать из него какие-то полезные вещества.

Результаты этого исследования оказались настолько интересными, что редакция международного журнала Advanced Materials, где опубликована статья, поместила иллюстрацию из нее на обложку номера.

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.

Добавил precedent precedent [БАН] 18 Января
проблема (3)
Комментарии участников:
Barban
0
Barban, 18 Января , url

А подробнее про чудо-материал?
А чтобы накапливать электроны, ожидающие триггера, нужны затраты энергии? Ибо очень уж волшебным КПД выходит, если «выхлоп» на порядок больше, чем у традиционного кремния...

Barban
+1
Barban, 18 Января , url

В основе солнечной энергетики лежит преобразование солнечного света в электричество. При попадании солнечного луча на фотоэлементы батареи, их поверхность бомбардируется фотонами (квантами света). Фотоны выбивают избыточные электроны, в результате чего возникает электрический ток. Это становится возможным благодаря особому покрытию солнечных батарей, где искусственным образом создается дефицит электронов на одном уровне и избыток — на другом. С разными материалами этот процесс протекает с различной эффективностью, что вынуждает ученых опытным путем искать покрытия с максимальным «выходом».
«Наше новое исследование связано с энергетикой, а именно с превращением энергии света в электричество на солнечных элементах. Для такой конверсии используется множество полупроводниковых систем с различными параметрами. Действуя методом проб и ошибок, мы испытываем различные материалы. Наша задача — найти фотокатализатор, активируемый видимым светом, чтобы его можно было использовать в биологических системах. Кроме того, изготавливаться это вещество должно простым и дешевым методом», — рассказала соавтор статьи Екатерина Скорб, кандидат химических наук, профессор кафедры химии и молекулярной биологии Университета ИТМО.

Ученые работали с одним из таких перспективных материалов — наноструктурированным оксисульфидом висмута. Так как слоистые пленки из этого вещества не меняют свойств при использовании на поверхностях с большой площадью (в отличие от многих аналогичных материалов), их можно использовать на массивных панелях. Кроме того, эти пленки отличаются низкой токсичностью, низкой ценой, их можно «выращивать» на различных веществах. Когда ученые измерили выход энергии с этого вещества стандартными фотоэлектрохимическими методами, они увидели большие показатели: квантовая эффективность преобразования – количество носителей заряда, которое произведет один фотон, – составила до 2500%.

Падающий на солнечный преобразователь фотон должен вызвать рождение экситона — квазичастицы, состоящей из электрона и электронной «дырки», то есть отсутствия данной частицы. Затем, в зависимости от конструкции системы, либо электроны, либо «дырки» создают выходной ток (ток, который создается в результате кажущегося движения «дырки», называется «дырочным»). Так как один фотон может вызвать рождение более одной электронно-дырочной пары, то квантовая эффективность может превышать 100%, при этом не нарушая закон сохранения энергии.

Согласно гипотезе ученых, гигантская эффективность определяется уменьшением сопротивления пленки оксисульфида висмута при освещении, что позволяет носителям заряда из внешней цепи участвовать в окислительно-восстановительных реакциях в растворе. Аномально высокая фотоэлектрохимическая активность, то есть интенсивность преобразования солнечной энергии в химическую и электрическую энергию, а также ширина запрещенной зоны, подходящая для преобразования солнечного света, говорят о том, что фотоэлектроды из оксисульфида висмута перспективны для нового поколения «солнечных ячеек». Ширина запрещенной зоны, то есть диапазон недоступных для электронов энергий в твердом теле, зависит от состава вещества. Фотон с энергией меньше этой ширины не сможет породить экситон. В исследуемом веществе ширина составляет 1,38 эВ, а энергия фотонов видимого света — 2–3 эВ, что позволяет пленкам из оксисульфида висмута эффективно поглощать свет видимого диапазона и преобразовывать его в электрический ток.

«Сейчас мы работаем над тем, как можно использовать такой гигантский выход. Сам эффект настолько интересный, что редакция журнала Advanced Materials поместила изображение из статьи на обложку номера. Мы надеемся, что наше открытие привлечет внимание многих ученых. По значимости оно, возможно, сопоставимо с перовскитными ячейками», — отметила Екатерина Скорб.

Картинка: Калейдоскоп наноструктурированных систем оксисульфидов висмута — фотоэлектроды в статье — удивляет гиганскими токами (до 2500%) на один фотон. Так свет открывает канал для накопленных в наноструктурированном слое зарядов из внешней цепи, приводит к быстрой разрядке материала, что перспективно для нового поколения высокоэффективных фотодатчиков и новых систем фотосинтеза. Источник: Екатерина Скорб.

www.gazeta.ru/science/news/2017/11/28/n_10870520.shtml


Войдите или станьте участником, чтобы комментировать