Российские ученые создали органические красители для солнечных панелей

«Мы синтезировали ряд соединений и выявили краситель-лидер. Затем модифицировали его, чтобы получить семейство красителей с заранее заданными свойствами. Из этого семейства один краситель продемонстрировал наилучшие свойства. Наибольшая эффективность преобразования солнечного света в электрический ток в 4,41% достигнута для элемента на основе красителя, содержащего тиено[3,2-b]индол в качестве электронодонорной части», — рассказывает соавтор разработки, руководитель лаборатории перспективных органических материалов Института органического синтеза УрО РАН Александр Степарук.

Красители и солнечные элементы, с которыми работают ученые, имеют ряд преимуществ. Во-первых, красители синтезируют из органических веществ, из-за чего они менее токсичны по сравнению с аналогами, в основе которых металлы. Во-вторых, синтез материалов простой, дешевый и доступный. Он, как поясняют исследователи, позволяет варьировать заместители в структуре красителей и таким образом настраивать оптические, электрохимические и электронные свойства красителей. И в целом сенсибилизированные красителем солнечные элементы — это простые устройства, созданные из недорогих материалов и не требующие дорогостоящего оборудования и технологий. Так, стоимость производства сенсибилизированных солнечных элементов в два раза ниже кремниевых батарей (примерно 100 и 200 долларов за один кв. м).

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы различных цветов. Фото: Александр Степарук

«Сегодня сенсибилизированные солнечные элементы представляют выгодную альтернативу лидеру рынка - более дорогим и сложным технологиям кремниевых солнечных батарей. <…> Кроме того, есть примеры интеграции данных батарей в фасады зданий, создания умных теплиц, ферм, гаражей и прочего. Однако на территории РФ в настоящее время ни производств, ни реальных примеров масштабного использования сенсибилизированных красителем солнечных элементов, к сожалению, нет», - констатировал доцент кафедры технологии органического синтеза УрФУ Геннадий Русинов.

Ученые уверены, эффективность преобразования солнечного света сенсибилизированными солнечными элементами еще не достигла предела и в будущем может сравняться с кремниевыми солнечными батареями. «В настоящее время эффективность преобразования энергии в сенсибилизированных солнечных элементах составляет около 10 %, рекорд - 14-15 %, но с маленькой площади. Полагаю, в перспективе возможно достичь и уровня кремниевых батарей до 24-29 %», - рассказал соавтор разработки, руководитель лаборатории перспективных органических материалов Института органического синтеза УрО РАН Александр Степарук.

Как поясняют ученые, вариантов применения сенсибилизированных красителем солнечных батарей множество. Их можно использовать, например, для зарядки гаджетов или в индустриальном применении в виде полупрозрачных панелей интегрировать на фасады зданий. Если такие элементы встраивать в стекла, можно получить двойной эффект — защита от шума и попутная электрогенерация. Кроме того, можно добиться улучшения декоративной составляющей за счет панелей различного цвета. При этом для таких панелей не обязателен прямой солнечный свет, достаточно и рассеянного. Их также можно использовать для конверсии света искусственных источников (в настоящее время это крайне актуальное направление в мировой науке).

В планах ученых — продолжить работу по синтезу новых красителей с заданными свойствами, апробировать их в солнечных элементах, изучить эффективность в условиях искусственных источников света, а также создать элементы с инвертированной структурой, масштабировать технологию.

В работе принимали участие: Научный коллектив Института органического синтеза УрО РАН, Уральского федерального университета, Центра цвета Института общей неорганической химии РАН и Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ.