Реконструкция иерархических наностержней NiCo2O4@ZnS с многостенными углеродными нанотрубками как контрэлектрод для красочно-чувствительных солнечных элементов

Почему важны более дешёвые материалы для солнечной энергетики

Платина — блестящий металл, применяемый в ювелирных изделиях и выхлопных системах автомобилей, — также часто используется в некоторых видах солнечных элементов, но она редкая и дорогая. В этом исследовании показан изящный способ заменить платину в красочно-чувствительных солнечных элементах — классе недорогих полупрозрачных солнечных устройств — смесью более доступных компонентов. Пересмотрев крошечную архитектуру заднего электрода, авторы добились эффективности, сопоставимой и даже немного превосходящей платиновое устройство, что указывает на путь к более дешёвым и устойчивым солнечным технологиям.

Как работает этот особый тип солнечного элемента

Красочно-чувствительные солнечные элементы функционируют отчасти как искусственные листья. Красящий пигмент на пористом белом слое поглощает свет и инжектирует электроны в подлежащий полупроводник. Эти электроны затем проходят через внешнюю цепь, выполняя полезную работу, прежде чем вернуться в элемент на заднем контакте, называемом контрэлектродом. Внутри элемента иодсодержащая жидкость переносит заряд между красителем и контрэлектродом. Качество этого заднего контакта существенно влияет на эффективность работы, поскольку он должен быстро завершать последний этап электрического цикла: многократно помогать молекулам йода обмениваться электронами.

Создание нового типа заднего контакта

Вместо плоского слоя платины команда создала трёхкомпонентный, скульптурный материал для контрэлектрода. Каркас состоит из наностержней оксида никеля–кобальта, которые стоят как микроскопический лес и обеспечивают множество мест для химических реакций. Поверхности этих стержней декорированы частицами сульфида цинка, которые создают дополнительные реактивные участки и изменяют локальную электронную среду, где протекает редокс-химия. Наконец, сеть многостенных углеродных нанотрубок пронизывает и оплетает стержни, формируя высокопроводящую сеть, связывающую всю структуру с внешней цепью. Всё это собирается с помощью растворно-основанных операций при относительно низких температурах, что совместимо с масштабируемым производством.

Изучение структуры на наномасштабе

Чтобы проверить построенную систему, исследователи использовали набор методов материаловедения, привычных скорее для физической лаборатории, чем для монтажника на крыше. Рентгеновская дифракция подтвердила, что оксид никеля–кобальта и сульфид цинка сохранили свои упорядоченные кристаллические структуры при комбинировании, а углеродные нанотрубки были успешно внедрены. Электронная микроскопия показала длинные прямые наностержни, покрытые мелкими кластерами сульфида цинка, а извивающиеся нанотрубки переплетались между ними. Химическое картирование выявило присутствие никеля, кобальта, цинка, серы, кислорода и углерода в хорошо смешанном виде, а поверхностно-чувствительная спектроскопия указала на смесь степеней окисления у никеля и кобальта — благоприятных для быстрого обмена электронами с йодным электролитом.

От микроскопического дизайна к характеристикам устройства

Далее команда проверила, как эти сложные структуры ведут себя электрохимически и в работающих солнечных элементах. Электрохимические измерения показали, что по мере добавления сульфида цинка и большего числа углеродных нанотрубок материал легче пропускает ток и требует меньшего перенапряжения для протекания ключевых йодных реакций. Испытывания импеданса, отслеживающие, насколько трудно перемещаются заряды через интерфейсы, выявили заметное снижение сопротивления для оптимизированного композита. Когда его использовали в качестве контрэлектрода в красочно-чувствительном солнечном элементе, лучшее по составу сочетание — содержащее 9 процентов нанотрубок по массе — достигло коэффициента преобразования мощности 10,03 процента при стандартном солнечном освещении, что немного выше, чем у иначе идентичного элемента с платиной. Оно также продемонстрировало более высокий выход тока и более высокий «коэффициент заполнения», показатель того, насколько хорошо устройство сохраняет напряжение под нагрузкой.

Стабильность и практичность для реального применения

Термогравиметрические тесты, при которых материал нагревают с одновременным учётом потери массы, показали, что композит остаётся структурно устойчивым в температурном диапазоне, актуальном для работы солнечных элементов. Измерения удельной поверхности и пористости выявили мезопористую структуру с каналами, позволяющими жидкому электролиту проникать и достигать активных участков, не засоряя пути для движения ионов. В совокупности эти свойства — хорошая электрическая проводимость, обширная реактивная площадь и сохранение целостности — поддерживают надёжную работу со временем, а не делают из устройства хрупкую лабораторную экзотичность.

Что это значит для будущих солнечных панелей

Для неспециалиста посыл прост: тщательно наслаивая обычные оксиды металлов, сульфидное покрытие и углеродные нанотрубки на наномасштабе, можно заменить дорогую платину в ключевой части определённых солнечных элементов без потери эффективности. Оксид никеля–кобальта обеспечивает каркас, сульфид цинка настраивает реакционную поверхность, а нанотрубки действуют как быстрые «автомагистрали» для электронов. Такая иерархическая конструкция даёт красочно-чувствительным солнечным элементам эффективность, потенциальную дешевизну и большую устойчивость, делая их более привлекательными для применений, таких как интегрированные в конструкции или гибкие солнечные источники энергии, где критичны низкая стоимость и простота изготовления.

Цитирование: Nukunudompanich, M., Nachaithong, T., Phumuen, P. et al. Remodelling hierarchical NiCo₂O₄@ZnS nanorods with multi-walled carbon nanotubes as a counter electrode for dye-sensitized solar cell applications. Sci Rep 16, 6869 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38255-7

Ключевые слова: красочно-чувствительные солнечные элементы, электроды без платины, оксид никеля и кобальта, углеродные нанотрубки, сульфид цинка