Корейські, японські, фінські та американські вчені отримали гнучкий перовскитний сонячний елемент з анодом з вуглецевих нанотрубок. Щоб шар нанотрубок був прозорим, його зробили зовсім тонким, а для поліпшення провідності допували нестехіометричним оксидом молібдену. Отримані сонячні елементи демонструють ефективність понад 15 відсотків і зберігають її після десяти тисяч циклів згинання і розгинання. Результати дослідження опубліковані в журналі
Гнучка електроніка розвивається стрімкими темпами - гнучкі смартфони вже представлені на ринку, а вчені та інженери вже щосили працюють над створенням розумного одягу та електронної шкіри. Привабливим виглядає створення сонячних елементів (які можна було б наносити на поверхню того самого розумного одягу, забезпечуючи їй додаткове харчування), однак це завдання виявилося несподівано складним. Найпопулярніший матеріал для сонячних елементів - кремній - для гнущихся елементів не підходить. Ефективність кремнієвих сонячних елементів залежить від кількості дефектів і стрімко падає після згинань і розгинань. Замість кремнію в гнучких сонячних елементах використовують інші матеріали: перші такі елементи були зроблені з полімерних барвників, а зараз вчені активно тестують комірки на основі тонких плівок перовскітів. Однак, на цьому труднощі зі створенням сонячного елемента не закінчуються. Гнучким повинен бути не тільки активний шар, але і всі допоміжні шари, крім того дуже важливо міцно скріпити шари між собою, щоб при згинанні контакт між ними не порушився. Найбільші труднощі виникли з прозорим електродом - адже вибір прозорих провідних матеріалів обмежений навіть для звичайних пристроїв, що «негнущаються». У стандартних перовскитних і органічних сонячних елементах найчастіше використовують оксид індія-олова (Indium Tin Oxide, ITO) на скляній підкладці. Зробити його гнучким у вчених поки не виходить, тому доводиться шукати альтернативи.
Корейські, японські, фінські та американські вчені під керівництвом Шигео Маруями (Shigeo Maruyama) і Іл Джеон (Il Jeon) з Університету Токіо, а також Філіпа Лі (Phillip Lee) з Корейського інституту наук і технологій зуміли виготовити гнучкі прозорі електроди з композиту вуглецевих нанотрубок (УНТ). Щоб електрод був прозорим, шар УНТ зробили дуже тонким, для підвищення міцності додали до нанотрубок поліімід, а для поліпшення транспортних властивостей - нестехіометричний оксид молібдену.
Синтез електрода складається з декількох стадій. Спочатку вчені виготовили плівки одностінних вуглецевих нанотрубок за допомогою стандартної процедури нанесення з пари і окремо отримали плівку оксиду молібдену MoO3 на скляній підкладці. Після цього дві плівки скріпили між собою: поклали плівку УНТ зверху на оксид молібдену і нагріли до температури 70 градусів Цельсія. При цьому відбувається взаємне проникнення УНТ і MoO3, а також перерозподіл зарядів, в результаті якого MoO3 втрачає кисень і частково відновлюється до нестехіометричного оксиду молібдену MoO3-x. Після цього на плівку УНТ наносили розчин вихідних сполук для отримання полііміду, а потім знову нагрівали плівку до температури 300 градусів Цельсія. Поліімід утворював плівку поверх шару УНТ, проте частина його проникала і всередину шару, заповнюючи порожнечі, і роблячи шар УНТ міцнішим. Таку плівку можна було легко відокремити від скляної підкладки, не пошкодивши: достатньо було занурити підкладку в дистильовану воду. Нижня сторона плівки УНТ зі шаром MoO3-x надалі ставала верхньою провідною стороною. Середня товщина плівок була близько 7 мікрометрів, а прозорість на довжині хвилі 700 нанометрів склала 80 відсотків - можна порівняти з прозорістю традиційних електродів на основі ITO. Решту шарів наносили на готову плівку методом накопичування розчинів на підкладку: спочатку дирочно-транспортний шар з полімерного аміну PTAA, потім активний шар з перовскитного матеріалу MA0.6FA0.4PbI2.9Br0.1, і електрон-транспортний шар з похідного фуллерена PCBM. Після цього зверху напилили мідний анод.
Отримані сонячні елементи демонстрували ефективність у 15,2 відсотка - загалом для перовскитних сонячних елементів це далеко не рекорд (кращі елементи долають поріг у 26 відсотків ефективності), однак серед гнучких елементів результат дуже гідний. Автори пояснили високу ефективність властивостями композиту УНТ-поліімід. Після добавок полііміду поверхня УНТ плівки стає більш гладкою (шорсткість менше 500 нанометрів), тому рекомбінація носіїв заряду на кордоні знижується. Крім того, заповнення пустот у шарі УНТ сприяє більш рівномірному розподілу оксиду молібдену і кращій провідності шару. Гнучкість отриманих пристроїв теж виявилося вражаючою - їх можна було зігнути вдвічі з радіусом гнучки 0,5 міліметра, при цьому ефективність зберігалася незмінною після десяти тисяч циклів таких згинань і розгинань.
Перовскитні матеріали використовуються не тільки в сонячних елементах, а й в інших оптичних приладах, наприклад фотодетекторах. Минулого місяця вчені знайшли новий простий спосіб синтезу якісних перовскитних монокристалів і отримали з них фотодетектор з рекордно низьким рівнем шуму.