Kilde: www.wevolver.com
Forskerne utviklet en pasta laget av titandioksid og resonante silisium nanopartikler som fungerer som et ekstra lag i prosessen med å produsere solceller. Mie-resonante partikler i pastaen gjør det mulig å kontrollere mengden lys som absorberes og øke genereringen av fotostrøm, noe som tillot forskerne å bringe effektiviteten til solceller opp til 21%. Viktigst, forsøkene ble utført på halide (MAPbI3) perovskites, som er de mest utbredte og godt studerte innen fotovoltaikk.
Tilgjengelige materialer
Halide perovskites er noen av de mest lovende materialene i moderne fotovoltaikk, men de har en betydelig ulempe: deres fotoaktive lag er bare ca 300-600 nanometer. Slike tynne lag kan ikke absorbere alt innkommende lys, men samtidig kan de ikke gjøres tykkere - da vil lyset bli spredt mer aktivt og forårsake energitap.
En av to strategier kan brukes til å øke effektiviteten til perovskite-baserte solceller: forbedre ladesamlingen eller øke lysabsorpsjonen. Den første strategien krever bruk av mer komplekse perovskite komposisjoner og innføring av ekstra stoffer (vanligvis sjeldne metaller), samt generelt øke kompleksiteten i strukturen. Dette fører naturligvis til en økning i produksjonsutgiftene. Forskere fra ITMO University sammen med kolleger fra Tor Vergata University gikk rundt dette problemet ved å øke konsentrasjonen av lys inne i solceller. Videre bruker løsningen silisium, et av elementene som er mest tilgjengelige i naturen.
" Vi kan få silisium fra sand, så det er nesten en endeløs tilførsel av dette materialet. Det ville ha vært en merkelig løsning å bare introdusere silisium i perovskite strukturen, men det kunne bli introdusert som en nanopartikkel. Slike partikler tjener som nanoantennae - de fanger lys og det resonerer inne i dem. Og jo lengre lys som blir værende i det fotoaktive laget, jo mer av det absorberes av materialet, forklarer professor ved ITMO's School of Physics and Engineering.
Aleksandra Furasova og Sergey Makarov. Foto av Ekaterina Shevyreva, ITMO. NYHETER
Nøyaktige beregninger
Trikset er at silisium nanopartikler av spesifikke størrelser er Mie-resonans. Takket være denne effekten kan nanopartiklene forsterke ulike optiske fenomener, inkludert lysabsorpsjon og spontan stråling. Med andre ord fungerer de som nanoantennae. For å kunne benytte seg av denne egenskapen måtte forskerne imidlertid gjennomføre alvorlige teoretiske beregninger og bygge en modell som redegjorde for elektrofysiske og optiske egenskaper til alle lag og nanopartikler når de blir utsatt for ekstern stråling og spenning.
Nanopartikkelpastaen utviklet av forskerne. Foto av Ekaterina Shevyreva, ITMO. NYHETER
Den andre avgjørende og komplekse oppgaven til prosjektet var å identifisere den beste plasseringen for den utviklede pastaen. Solceller produseres ved hjelp av spinnbeleggmetoden, når flytende lag påføres sekvensielt på hverandre. Dette gjør det mulig å lage tynne filmer med kontrollerende varierende tykkelse og konsentrasjon. Videre kan praktisk talt alle ekstra materialer og stoffer legges til filmer under slik produksjon.
Produksjon av en perovskite celle med nanopartikkelpasta. Foto av Ekaterina Shevyreva, ITMO. NYHETER
" Med flytende metoder kan vi enkelt dele ut mengden tørre nanopartikler i en løsning. Det vi måtte bestemme var i hvilket lag vi skulle plassere Mie-resonanspartiklene. Hvis de legges i perovskitelaget, vil de skade fotoaktive regioner. Hvis de skulle settes i det øvre transportlaget, ville lyset for det meste ha blitt absorbert når det nådde nanopartiklene gjennom alle lagene under dem. Derfor plasserte vi nanopartiklene i neste lag etter perovskiten – på denne måten er de nærmere lyskilden og jobber mer effektivt som antenner, sierAleksandra Furasova, førsteforfatter av avisen og juniorforsker ved ITMO's School of Physics and Engineering.
Produksjon av en perovskite celle med nanopartikkelpasta. Foto av Ekaterina Shevyreva, ITMO. NYHETER
En enkel teknologi
Den utviklede pastaen er enkel å påføre og kan brukes med solceller av hvilken som helst sammensetning og konfigurasjon. Samtidig er det ingen ekstra komplikasjoner til produksjonsprosessen, mens kostnaden for de resulterende enhetene øker med bare 0,3%.
" Pastaen kan enkelt påføres med andre metoder, ikke bare med spinnbelegg. Det er et rå universelt produkt som kan brukes i andre typer solceller, så vel som i produksjon av ulike enheter - fotodetektorer, høstere og optoelektronikk. Slik produksjon er også miljøvennlig, da vi ikke bruker noen sjeldne materialer. Som et resultat har vi utviklet en ganske teknologisk løsning, og vi tror produktet vil være universelt anvendelig og ettertraktet, avslutter Sergey Makarov.
