Чтобы сделать большие листы углерода доступными для сбора света, химики Университета Индианы в Блумингтоне разработали необычное решение - прикрепите к каждой стороне листа углерода то, что представляет собой трехмерный участок ежевики. По словам ученых, с помощью этого метода они впервые смогли растворить листы, содержащие до 168 атомов углерода.
Доклад ученых, размещенный в Интернете 9 апреля, появится в следующем выпуске Nano Letters.
«Наш интерес проистекает из желания найти альтернативный, легкодоступный материал, который может эффективно поглощать солнечный свет», - сказал химик Лян-ши Ли, руководивший исследованием.«В настоящее время наиболее распространенными материалами для поглощения света в солнечных элементах являются кремний и соединения, содержащие рутений. У каждого из них есть недостатки».
Их главный недостаток - стоимость и долговременная доступность. Солнечные элементы на основе рутения потенциально могут быть дешевле, чем элементы на основе кремния, но рутений - редкий металл на Земле, такой же редкий, как платина, и быстро закончится, когда спрос возрастет.
Углерод дешев и доступен в виде графена, способного поглощать свет в широком диапазоне частот. Графен - это, по сути, то же вещество, что и графит (грифель карандаша), за исключением того, что графен - это единый лист углерода толщиной в один атом. Графен обещает стать эффективной, дешевой в производстве и менее токсичной альтернативой другим материалам, используемым в настоящее время в солнечных элементах. Но это также раздражало ученых.
Чтобы лист графена можно было использовать для сбора фотонов света, он должен быть большим. Однако, чтобы использовать поглощенную солнечную энергию для производства электричества, лист не может быть слишком большим. К сожалению, ученые считают, что с большими листами графена трудно работать, а контролировать их размеры еще труднее. Чем больше лист графена, тем он более липкий, что повышает вероятность его прилипания к другим листам графена. Несколько слоев графена хорошо подходят для заметок, но они также защищают от электричества.
Химики и инженеры, экспериментирующие с графеном, придумали целый ряд стратегий разделения отдельных графеновых листов. Наиболее эффективным решением до появления бумаги Nano Letters было разделение графита (сверху вниз) на листы и обертывание их полимерами, чтобы они были изолированы друг от друга. Но это делает графеновые листы случайных размеров, которые слишком велики для поглощения света солнечными элементами.
Ли и его сотрудники попробовали другую идею. Прикрепив полужесткую, полужесткую, трехмерную боковую группу к сторонам графена, они смогли удержать графеновые листы размером до 168 атомов углерода от прилипания друг к другу. С помощью этого метода они могли бы сделать листы графена из более мелких молекул (снизу вверх), чтобы они были одинаковыми по размеру. Насколько известно ученым, это самый большой стабильный графеновый лист, когда-либо созданный методом «снизу вверх».
Боковая группа состоит из гексагонального углеродного кольца и трех длинных колючих хвостов, состоящих из углерода и водорода. Поскольку лист графена жесткий, кольцо боковой группы вынуждено поворачиваться примерно на 90 градусов относительно плоскости графена. Три хвоста ежевики могут свободно размахиваться, но два из них будут иметь тенденцию окружать лист графена, к которому они прикреплены.
Однако хвосты служат не только клеткой. Они также служат ручкой для органического растворителя, чтобы можно было растворить всю структуру. Ли и его коллеги смогли растворить 30 мг этого вещества в 30 мл растворителя.
«В этой статье мы нашли новый способ сделать графен растворимым», - сказал Ли. «Это так же важно, как и относительно большой размер самого графена».
Чтобы проверить эффективность своего графенового акцептора света, ученые сконструировали элементарные солнечные элементы, используя диоксид титана в качестве акцептора электронов. Ученым удалось добиться плотности тока 200 микроампер на квадратный сантиметр и напряжения холостого хода 0,48 вольта. Листы графена поглощали значительное количество света в диапазоне от видимого до ближнего инфракрасного (от 200 до 900 нм или около того) с пиком поглощения при 591 нм.
Ученые находятся в процессе переделки листов графена с липкими концами, которые связываются с диоксидом титана, что повысит эффективность солнечных элементов.
«Сбор энергии солнца является обязательным шагом», - сказал Ли. «Как превратить энергию в электричество - следующий вопрос. Мы думаем, что у нас хорошее начало».
Студенты докторантуры Синь Ян и Сяо Цуй, а также постдокторант Бинсонг Ли также внесли свой вклад в это исследование. Он финансировался за счет грантов Национального научного фонда и Фонда нефтяных исследований Американского химического общества.