Физики УрФУ с коллегами из Института физики металлов УрО РАН и Института ядерной физики Белградского университета (Сербия) выяснили, что наноразмерные частицы сульфида сурьмы (прим. ред. — сурьма используется в пиротехнике, спичках) в солнечных панелях работают эффективнее, чем кристаллические структуры и наночастицы другого состава. Характеристики синтезированных образцов тестировали при разных температурах и обнаружили высокую эффективность преобразования солнечного света при температурах 20-30 °C. Исследователи заключили, что наночастицы сульфида сурьмы могут быть интегрированы в архитектуру солнечных панелей для повышения их эффективности. Результаты исследования опубликованы в журнале Optical Materials, работа поддержана в рамках программы академического превосходства «Приоритет-2030».
«Сульфид сурьмы является одним из наиболее перспективных материалов для фотоэлектрических систем из-за его уникальных характеристик поглощения света, высокой химической стабильности, а также низкой стоимости. Мы впервые разработали нелегированные и легированные наночастицы и квантовые точки Sb2S3 с желаемыми электронными и оптическими свойствами, а затем применили их в различных компонентах солнечных элементов», — рассказал соавтор работы, сотрудник лаборатории спектроскопии низкоразмерных систем и наноматериалов УрФУ Дмитрий Бирюков.
Несмотря на значительный прогресс в солнечной энергетике, рынок все еще сталкивается с проблемами, связанными с высокой стоимостью производства и недостаточной эффективностью преобразования энергии солнца в электричество. Исследование новых полупроводников, таких как сульфид сурьмы, может сделать изготовление солнечных панелей экономичнее и увеличить их производительность. Данный материал хорошо поглощает солнечный свет, менее токсичен, чем кадмий и индий, и устойчив к химическим воздействиям, что увеличит срок работы панелей.
Авторы исследования синтезировали полупроводниковые образцы с различными характеристиками, нагревая порошок сульфида сурьмы при 240° C. Размеры полученных наночастиц определяли методом сканирующей электронной микроскопии. Затем с помощью спектрофотометра и люминесцентного спектрометра изучили оптические и фотоэмиссионные свойства полученных образцов в диапазоне от температур жидкого гелия (4К — почти абсолютный нуль) до комнатных температур. Проанализировав результаты исследований, ученые пришли к выводу, что для использования в солнечных элементах лучше подходят наночастицы и квантовые точки сульфида сурьмы размерами от одного до десяти нанометров.
«Квантовые точки и наночастицы сульфида сурьмы оказались очень необычным материалом. Температурное поведение фотолюминесценции в режимах возбуждения и фотонной эмиссии отличается целым каскадом стадий поглощения и последующего преобразования энергии света, что открывает широкие перспективы применения данных объектов для конверсии излучений в оптоэлектронике, фотонике и, в том числе, в солнечной энергетике», — сообщил соавтор работы, старший научный сотрудник лаборатории «Физика функциональных материалов углеродной микро- и оптоэлектроники» УрФУ Дмитрий Зацепин.
В ходе эксперимента ученые выяснили, что с уменьшением размера частиц Sb2S3 эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую будет увеличиваться. Изменяя размер наночастиц, можно управлять спектральным диапазоном оптического поглощения и производить солнечные панели под разные нужды, которые смогут генерировать больше энергии даже при низкой освещенности.
Справка
Несмотря на достижения в технологических областях, эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую остается недостаточно высокой. Современные исследования направлены на увеличение коэффициентов поглощения света и эффективности преобразования энергии. Многие материалы солнечных панелей подвержены разрушению под воздействием внешних факторов, таких как ультрафиолетовое излучение, влага и температура. Сульфид сурьмы, как наноматериал с уникальными свойствами, еще недостаточно изучен. В этой связи продолжаются исследования функциональных свойств его низкоразмерных модификаций и перспектив применений в новых практических областях.