Źródło: www.wevolver.com
Naukowcy opracowali pastę wykonaną z dwutlenku tytanu i rezonansowych nanocząstek krzemu, która służy jako dodatkowa warstwa w procesie produkcji ogniw słonecznych. Cząsteczki rezonansowe Mie w paście umożliwiają kontrolowanie ilości pochłanianego światła i zwiększenie generowania fotoprądu, co pozwoliło naukowcom zwiększyć wydajność ogniw słonecznych do 21%. Co ważne, eksperymenty przeprowadzono na perowskitach halogenków (MAPbI3), które są najbardziej rozpowszechnionymi i dobrze zbadane w dziedzinie fotowoltaiki.
Dostępne materiały
Perowskity halogenowe są jednymi z najbardziej obiecujących materiałów we współczesnej fotowoltaice, jednak mają jedną istotną wadę: ich warstwa fotoaktywna wynosi tylko około 300-600 nanometrów. Tak cienkie warstwy nie mogą pochłonąć całego wlatującego światła, ale jednocześnie nie można ich pogrubić – wtedy światło będzie rozpraszane bardziej aktywnie, powodując straty energii.
Jedna z dwóch strategii może być wykorzystana do zwiększenia wydajności ogniw słonecznych opartych na perowskicie: poprawa zbierania ładunku lub zwiększenie absorpcji światła. Pierwsza strategia wymaga stosowania bardziej złożonych kompozycji perowskitowych i wprowadzania dodatkowych substancji (zwykle metali rzadkich), a także ogólnego zwiększania złożoności struktury. Oczywiście prowadzi to do wzrostu kosztów produkcji. Naukowcy z ITMO University wraz z kolegami z Tor Vergata University obeszli ten problem, zwiększając stężenie światła wewnątrz ogniw słonecznych. Ponadto ich rozwiązanie wykorzystuje krzem, jeden z elementów najbardziej dostępnych w przyrodzie.
"Możemy pozyskiwać krzem z piasku, więc podaż tego materiału jest prawie nieskończona. Byłoby dziwnym rozwiązaniem po prostu wprowadzić krzem do struktury perowskitu, ale można go wprowadzić jako nanocząstkę. Takie cząsteczki pełnią funkcję nanoanteny – łapią światło i ono rezonuje w ich wnętrzu. A im dłużej światło pozostaje w warstwie fotoaktywnej, tym więcej jest pochłaniane przez materiał "- wyjaśnia profesor w Szkole Fizyki i Inżynierii ITMO.
Aleksandra Furasova i Sergey Makarov. Zdjęcie: Ekaterina Shevyreva, ITMO. WIADOMOŚCI
Dokładne obliczenia
Sztuczka polega na tym, że nanocząstki krzemu o określonych rozmiarach są rezonansowe Mie. Dzięki temu efektowi nanocząstki mogą wzmacniać różne zjawiska optyczne, w tym absorpcję światła i promieniowanie spontaniczne. Innymi słowy, działają jako nanoanteny. Jednak, aby wykorzystać tę właściwość, naukowcy musieli przeprowadzić poważne obliczenia teoretyczne i zbudować model, który uwzględniał właściwości elektrofizyczne i optyczne wszystkich warstw i nanocząstek, gdy są one poddawane zewnętrznemu promieniowaniu i napięciu.
Pasta nanocząsteczkowa opracowana przez naukowców. Zdjęcie: Ekaterina Shevyreva, ITMO. WIADOMOŚCI
Drugim kluczowym i złożonym zadaniem projektu było znalezienie najlepszej lokalizacji dla opracowanej pasty. Ogniwa słoneczne są produkowane metodą powlekania spinowego, gdy warstwy cieczy są kolejno nakładane na siebie. Umożliwia to tworzenie cienkich warstw o kontrolnie różnej grubości i stężeniu. Co więcej, praktycznie wszelkie dodatkowe materiały i substancje mogą być dodawane do folii podczas takiej produkcji.
Produkcja ogniwa perowskitowego z pastą nanocząsteczkową. Zdjęcie: Ekaterina Shevyreva, ITMO. WIADOMOŚCI
"Dzięki metodom płynnym możemy łatwo porcjować ilość suchych nanocząstek w roztworze. Musieliśmy zdecydować, w której warstwie powinniśmy umieścić cząstki rezonansowe Mie. Gdyby umieścić je w warstwie perowskitu, uszkodziłyby jego fotoaktywne regiony. Gdyby umieścić je w górnej warstwie transportowej, światło zostałoby w większości pochłonięte przez czas, gdy dotarło do nanocząstek przez wszystkie warstwy pod nimi. Dlatego umieściliśmy nanocząstki w następnej warstwie po perowskicie - w ten sposób są bliżej źródła światła i działają wydajniej jako anteny "- mówi Aleksandra Furasova, pierwsza autorka artykułu i młodszy pracownik naukowy w Szkole Fizyki i Inżynierii ITMO.
Produkcja ogniwa perowskitowego z pastą nanocząsteczkową. Zdjęcie: Ekaterina Shevyreva, ITMO. WIADOMOŚCI
Prosta technologia
Opracowana pasta jest prosta w aplikacji i może być stosowana z ogniwami słonecznymi o dowolnym składzie i konfiguracji. Jednocześnie nie ma dodatkowych komplikacji w procesie produkcyjnym, podczas gdy koszt powstałych urządzeń wzrasta tylko o 0,3%.
"Pastę można łatwo nakładać innymi metodami, nie tylko z powłoką spinową. Jest to surowy uniwersalny produkt, który może być stosowany w innych typach ogniw słonecznych, a także w produkcji różnych urządzeń – fotodetektorów, kombajnów i optoelektroniki. Taka produkcja jest również przyjazna dla środowiska, ponieważ nie używamy żadnych rzadkich materiałów. W rezultacie opracowaliśmy dość technologiczne rozwiązanie i wierzymy, że produkt będzie powszechnie stosowany i poszukiwany", podsumowuje Sergey Makarov.
