Как показала последняя работа ученых из США, коллоиды из нанокристаллов теллурида кадмия могут использоваться в качестве фотоэлектрических «чернил» для печати солнечных элементов. Созданные таким образом устройства состоят из тонких слоев порядка 330 нм толщиной, при этом эффективность преобразования солнечной энергии в них приближается к 10%. Если же толщину слоя увеличить до 550 нм, КПД может быть увеличено до 11%. Кроме того, подобные ячейки отличаются высокой реакцией на свет из синей части спектра (внешняя квантовая эффективность до 80%), что обеспечит получение более высокого фототока на фоне других тонкопленочных фотоэлектрических структур.

Тонкопленочные фотоэлектрические материалы в перспективе вполне могут стать альтернативой традиционным солнечным элементам на основе объемного кремния. Подобные структуры поглощают солнечный свет более эффективно, благодаря тому, что имеют прямую запрещенную зону. Для производства солнечной ячейки необходимо использовать меньше материала, а значит итоговая структура будет иметь меньший вес (в расчете на ту же поглощенную солнечную энергию). Более того, такие материалы, как теллурид кадмия, могут легко осаждаться из раствора на широком диапазоне гибких и жестких подложек.

Рис. 1. Процесс роста нанокристаллических зерен теллурида кадмия при формировании тонкой пленки.

Однако с тонкопленочными фотоэлектрическими устройствами связана одна проблема. Как правило, эффективность преобразования энергии в тонких пленках, полученных из раствора, существенно ниже, чем в пленках, полученных традиционными методами осаждения из парообразного состояния. Теперь же совместная группа ученых из National Renewable Energy Laboratory и University of Chicago (США) предложила альтернативный способ производства тонкопленочных фотоэлектрических устройств из теллурида кадмия, позволяющий не жертвовать эффективностью преобразования энергии.

Ученые смогли синтезировать чернила из растворов нанокристаллов теллурида кадмия, форму которых можно контролировать.

В ходе экспериментов исследователи обнаружили, что самые эффективные солнечные ячейки получаются из «чернил», изначально содержащих лишь одну из форм кристаллов («четвероногую» форму вюрцитной фазы).

После короткого обжига при сравнительно низких температурах эти кристаллы претерпевают фазовый переход от вюрцитной к цинковой структуре, что происходит одновременно с увеличением размеров зерен нанокристаллов. Поэтому, вместо того чтобы наносить весь слой теллурида кадмия разом, исследователи последовательно формировали более тонкие слои и контролировали рост зерен, пока не получали покрытие требуемой толщины.

Поскольку нанокристаллы при таком способе нанесения растут и претерпевают фазовые изменения все вместе, они образуют поликристаллические пленки, уникальные своей гладкостью и однородностью (по сравнению с пленками, производимыми традиционными методами сублимации). Кристаллические зерна в такой структуре простираются от верха до основания устройства, что позволяет ученым эффективно извлекать полученные носители заряда (в данном случае – фотовозбужденные электроны). Это возможно благодаря тому, что электроны не рассеиваются на границах зерен, что сводит к минимуму их шансы быть «потерянными» при путешествии через структуру.

Солнечные батареи, изготовленные при помощи чернил из теллурида кадмия, могут похвастаться эффективностью преобразования солнечной энергии до 10 – 12%, причем она дополнительно может быть повышена при размещении чернил на «правильном» основании. Кроме того, чернила позволяют производить более дешевые фотоэлектрические устройства (по сравнению с другими тонкопленочными фотоэлектрическими структурами).

Подробные результаты работы опубликованы в журнале ACS Nano.