Istraživači stvaraju pastu od nanočestica kako bi povećali učinkovitost solarnih ćelija perovskita

Izvor: www.wevolver.com

Znanstvenici su razvili pastu napravljenu od titanijevog dioksida i rezonantnih nanočestica silicija koja služi kao dodatni sloj u procesu proizvodnje solarnih ćelija. Mie-rezonantne čestice u pasti omogućuju kontrolu količine apsorbirane svjetlosti i povećavaju stvaranje fotostruje, što je omogućilo istraživačima da povećaju učinkovitost solarnih ćelija do 21%. Važno je napomenuti da su pokusi provedeni na halogenidnim (MAPbI3) perovskitima, koji su najrašireniji i najbolje proučeni u području fotonapona.

Dostupni materijali

Halogenidi perovskiti neki su od najperspektivnijih materijala u suvremenoj fotonaponi, no imaju jedan značajan nedostatak: njihov fotoaktivni sloj iznosi samo oko 300-600 nanometara. Takvi tanki slojevi ne mogu apsorbirati svu dolaznu svjetlost, ali se istodobno ne mogu učiniti debljima - tada će se svjetlo aktivnije raspršiti uzrokujući gubitke energije.

Jedna od dvije strategije može se koristiti za povećanje učinkovitosti solarnih ćelija na bazi perovskita: poboljšanje prikupljanja naboja ili povećanje apsorpcije svjetlosti. Prva strategija zahtijeva korištenje složenijih sastava perovskita i uvođenje dodatnih tvari (obično rijetkih metala), kao i općenito povećanje složenosti strukture. Naravno, to dovodi do povećanja troškova proizvodnje. Istraživači sa Sveučilišta ITMO zajedno s kolegama sa Sveučilišta Tor Vergata zaobišli su ovaj problem povećavajući koncentraciju svjetlosti unutar solarnih ćelija. Štoviše, njihovo rješenje koristi silicij, jedan od elemenata koji je u prirodi najpristupačniji.

“Silicij možemo dobiti iz pijeska, pa postoji gotovo beskrajna zaliha ovog materijala. Bilo bi čudno rješenje jednostavno uvesti silicij u strukturu perovskita, ali moglo bi se uvesti kao nanočestica. Takve čestice služe kao nanoantene - hvataju svjetlost i ona rezonira unutar njih. I što dulje svjetlo ostaje u fotoaktivnom sloju, materijal ga više apsorbira ”, objašnjava profesor na ITMO -ovoj Fizičko -tehničkoj školi.

Točni izračuni

Trik je u tome što su silicijske nanočestice određene veličine Mie-rezonantne. Zahvaljujući tom učinku, nanočestice mogu pojačati različite optičke pojave, uključujući apsorpciju svjetlosti i spontano zračenje. Drugim riječima, djeluju kao nanoantene. Međutim, kako bi iskoristili ovo svojstvo, istraživači su morali provesti ozbiljne teorijske proračune i izgraditi model koji je uzimao u obzir elektrofizička i optička svojstva svih slojeva i nanočestica kada su izloženi vanjskom zračenju i naponu.

Drugi ključni i složeni zadatak projekta bio je identificiranje najboljeg mjesta za razvijenu pastu. Solarne ćelije se proizvode metodom spin obloge, kada se slojevi tekućine uzastopno nanose jedan na drugi. To omogućuje stvaranje tankih filmova kontrolirano različite debljine i koncentracije. Štoviše, tijekom takve proizvodnje filmovima se mogu dodati praktički svi dodatni materijali i tvari.

„Tekućim metodama možemo lako podijeliti količinu suhih nanočestica u otopini. Ono što smo morali odlučiti bilo je u koji bismo sloj smjestili čestice Mie-rezonancije. Ako se stave u sloj perovskita, oštetili bi njegova fotoaktivna područja. Kad bi se stavili u gornji transportni sloj, svjetlost bi se većinom apsorbirala do trenutka kad je stigla do nanočestica kroz sve slojeve ispod njih. Zato smo postavili nanočestice u sljedeći sloj nakon perovskita - na taj način su bliže izvoru svjetlosti i djeluju učinkovitije kao antene ”, kaže Aleksandra Furasova, prva autorica rada i mlađa znanstvena suradnica na ITMO -ovoj Fizičkoj školi i Inženjering.

Jednostavna tehnologija

Razvijena pasta se jednostavno nanosi i može se koristiti sa solarnim ćelijama bilo kojeg sastava i konfiguracije. Istodobno, nema dodatnih komplikacija u proizvodnom procesu, dok se cijena rezultirajućih uređaja povećava za samo 0,3%.

“Pasta se može lako nanositi drugim metodama, ne samo sa spin premazom. To je sirovi univerzalni proizvod koji se može koristiti u drugim vrstama solarnih ćelija, kao i u proizvodnji različitih uređaja - fotodetektora, žetelica i optoelektronike. Takva je proizvodnja također ekološki prihvatljiva, jer ne koristimo rijetke materijale. Kao rezultat toga, razvili smo prilično tehnološko rješenje i vjerujemo da će proizvod biti univerzalno primjenjiv i tražen ”, zaključuje Sergej Makarov.