Корейские, японские, финские и американские ученые получили гибкий перовскитный солнечный элемент с анодом из углеродных нанотрубок. Чтобы слой нанотрубок был прозрачным, его сделали совсем тонким, а для улучшения проводимости допировали нестехеометричным оксидом марганца. Полученные солнечные элементы демонстрируют эффективность более 15 процентов и сохраняют ее после десяти тысяч циклов сгибания и разгибания.

Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Science.

Гибкая электроника развивается стремительными темпами — гнущиеся смартфоны уже представлены на рынке, а ученые и инженеры уже вовсю работают над созданием умной одежды и электронной кожи. Заманчивым выглядит создание гнущихся солнечных элементов (которые можно было бы наносить на поверхность той самой умной одежды, обеспечивая ей дополнительное питание), однако эта задача оказалась неожиданно сложной.

Самый популярный материал для солнечных элементов — кремний — для гнущихся элементов не подходит. Эффективность кремниевых солнечных элементов зависит от количества дефектов и стремительно падает после сгибаний и разгибаний. Вместо кремния в гибких солнечных элементах используют другие материалы: первые такие элементы были сделаны из полимерных красителей, а сейчас ученые активно тестируют ячейки на основе тонких пленок перовскитов.

Однако, на этом трудности с созданием гнущегося солнечного элемента не заканчиваются. Гибким должен быть не только активный слой, но и все вспомогательные слои, кроме того очень важно прочно скрепить слои между собой, чтобы при сгибании контакт между ними не нарушился. Самые большие трудности возникли с прозрачным электродом — ведь выбор прозрачных проводящих материалов ограничен даже для обычных «негнущихся» устройств.

В стандартных перовскитных и органических солнечных элементах чаще всего используют оксид индия-олова (Indium Tin Oxide, ITO) на стеклянной подложке. Сделать его гибким у ученых пока не получается, поэтому приходится искать альтернативы.

Корейские, японские, финские и американские ученые под руководством Шигео Маруямы (Shigeo Maruyama) и Ил Джеон (Il Jeon) из Университета Токио, а также Филиппа Ли (Phillip Lee) из Корейского института наук и технологий сумели изготовить гибкие прозрачные электроды из композита углеродных нанотрубок (УНТ). Чтобы электрод был прозрачным, слой УНТ сделали очень тонким, для повышения прочности добавили к нанотрубкам полиимид, а для улучшения транспортных свойств — нестехиометричный оксид молибдена.

Синтез электрода состоит их нескольких стадий. Сначала ученые изготовили пленки одностенных углеродных нанотрубок с помощью стандартной процедуры нанесения из пара и отдельно получили пленку оксида молибдена MoO₃ на стеклянной подложке. После этого две пленки скрепили между собой: положили пленку УНТ сверху на оксид молибдена и нагрели до температуры 70 градусов Цельсия. При этом происходит взаимное проникновение УНТ и MoO₃, а также перераспределение зарядов, в результате которого MoO₃ теряет кислород и частично восстанавливается до нестехиометричного оксида молибдена MoO_3-x.

После этого на пленку УНТ наносили раствор исходных соединений для получения полиимида, а затем вновь нагревали пленку до температуры 300 градусов Цельсия. Полиимид образовывал пленку поверх слоя УНТ, однако часть его проникала и внутрь слоя, заполняя пустоты, и делая слой УНТ прочнее. Такую пленку можно было легко отделить от стеклянной подложки, не повредив: достаточно было погрузить подложку в дистиллированную воду. Нижняя сторона пленки УНТ со слоем MoO_3-x в дальнейшем становилась верхней проводящей стороной. Средняя толщина пленок была около 7 микрометров, а прозрачность на длине волны 700 нанометров составила 80 процентов — сравнимо с прозрачностью традиционных электродов на основе ITO.

Остальные слои наносили на готовую пленку методом накапывания растворов на вращающуюся подложку: сначала дырочно-транспортный слой из полимерного амина PTAA, затем активный слой из перовскитного материала MA_0.6FA_0.4PbI_2.9Br_0.1, и электрон-транспортный слой из производного фуллерена PCBM. После этого сверху напылили медный анод.

Полученные солнечные элементы демонстрировали эффективность в 15,2 процента — в целом для перовскитных солнечных элементов это далеко не рекорд (лучшие элементы преодолевают порог в 26 процентов эффективности), однако среди гибких элементов результат очень достойный.

Авторы объяснили высокую эффективность свойствами композита УНТ-полиимид. После добавок полиимида поверхность УНТ пленки становится более гладкой (шероховатость менее 500 нанометров), поэтому рекомбинация носителей заряда на границе снижается. Кроме того, заполнение пустот в слое УНТ способствует более равномерному распределению оксида молибдена и лучшей проводимости слоя.

Гибкость полученных устройств тоже оказалось впечатляющей — их можно было согнуть вдвое с радиусом гибки 0,5 миллиметра, при этом эффективность сохранялась неизменной после десяти тысяч циклов таких сгибаний и разгибаний.