Химикам из Индианского университета в Блумингтоне (Indiana University Bloomington, США) удалось сделать графеновые листы пригодными к использованию в качестве солнечных батарей. Это сделано весьма необычным способом – прикреплением трехмерных «упоров» к краям листа; таким образом, удалось построить из отдельных молекул листы, содержащие до 168 атомов углерода.
Посвященная работе статья должна появиться в ближайшем будущем в журнале Американского химического общества Nano Letters.
Основными проблемами наиболее популярных сейчас солнечных батарей на основе кремния является дороговизна и постепенное «выгорание». Батареи из рутения проще и дешевле в производстве, но рутений – редкий металл, и его запасы на Земле могут довольно быстро исчерпаться, если на него возникнет большой спрос.
Углерод, наоборот, очень распространен, очень дешев, не токсичен и в форме графена способен поглощать свет в широком диапазоне частот. Однако проблемы с использованием графенов в качестве основы солнечных батарей велики. Для выработки достаточного количества энергии листы графена должны быть большими по площади, однако, чем больше лист, тем легче он слипается с другими листами. «Склеенные» большие листы графена сложно разделить, не повредив их, к тому же многослойная графеновая структура не способствует выработке электричества.
До сих пор лучшим предложенным решением было расщепление графита на углеродные листы и их прокладка полимерными пленками, изолирующими листы друг от друга, как в бутерброде. Однако конечный размер такого «бутерброда» получается слишком большим для удовлетворительной работы в солнечной батарее.
Автор работы, адъюнкт-профессор химии Ли Лянши (Liang-shi Li) и его коллеги пошли другим путем. Они присоединили к краям графенового листа полужесткие-полугибкие трехмерные группы, в качестве упругих «ножек» предотвращающие слипание листов. Таким образом, удалось собирать из отдельных молекул (сборка «снизу вверх») листы шириной до 168 атомов углерода, и это самые большие стабильные листы, когда-либо полученные таким методом.
Каждая дополнительная группа состоит из шестиугольного углеродного кольца и трех длинных ветвящихся «хвостов» из углерода и водорода. В силу жесткости графенового листа дополнительная группа вынуждена повернуться к нему под углом в 90 градусов; «хвосты» располагаются в пространстве произвольным образом. Два из них используются для фиксации графенового листа на месте.
Благодаря «хвостам» вся структура может без особых проблем разлагаться в органическом растворе – Ли и его коллегам удалось растворить 30 мг графеновых конструкций в 30 миллилитрах раствора. Такое свойство может пригодиться при производстве батарей.
Чтобы проверить эффективность графеновых листов в роли батарей, ученые построили рудиментарную солнечную батарею, используя оксид титана в качестве акцептора электронов. На этой батарее удалось добиться поверхностной плотности заряда в 200 мА на квадратный сантиметр и фото-ЭДС в 0,48 вольт. Графен поглощает свет в видимой и ближней инфракрасной области спектра с пиком поглощения на 591 нм (желто-оранжевый свет).
Соавторами Ли являются Ян Синь (Xin Yan), Цуй Сяо (Xiao Cui) и Ли Биньсун (Binsong Li), все с химического факультета Индианского университета в Блумингтоне.