Vedci vytvárajú pastu s nanočasticami, aby maximalizovali účinnosť solárnych článkov perovskitu

Zdroj: www.wevolver.com

Vedci vyvinuli pastu vyrobenú z nanočastíc oxidu titaničitého a rezonančných kremíka, ktorá slúži ako ďalšia vrstva v procese výroby solárnych článkov. Mie-rezonančné častice v paste umožňujú kontrolovať množstvo absorbovaného svetla a zvýšiť tvorbu fotoprúdu, čo vedcom umožnilo zvýšiť účinnosť solárnych článkov až na 21%. Dôležité je, že experimenty boli vykonávané na halogenidových (MAPbI3) perovskitoch, ktoré sú najrozšírenejšie a najlepšie študované v oblasti fotovoltaiky.

Dostupné materiály

Halogenidové perovskity sú jedným z najsľubnejších materiálov v súčasnej fotovoltaike, majú však jednu významnú nevýhodu: ich fotoaktívna vrstva má iba asi 300-600 nanometrov. Také tenké vrstvy nedokážu absorbovať všetko prichádzajúce svetlo, ale zároveň ich nemožno zosilniť - svetlo sa potom rozptýli aktívnejšie, čo spôsobí energetické straty.

Na zvýšenie účinnosti solárnych článkov na báze perovskitu je možné použiť jednu z dvoch stratégií: zlepšenie zberu náboja alebo zvýšenie absorpcie svetla. Prvá stratégia vyžaduje použitie zložitejších perovskitových kompozícií a zavedenie ďalších látok (spravidla vzácnych kovov), ako aj všeobecné zvýšenie zložitosti štruktúry. Prirodzene to vedie k zvýšeniu výrobných nákladov. Vedci z ITMO University spolu s kolegami z Univerzity Tor Vergata tento problém obišli zvýšením koncentrácie svetla vo vnútri solárnych článkov. Ich riešenie navyše používa kremík, jeden z prvkov, ktoré sú v prírode najdostupnejšie.

"Kremík môžeme získavať z piesku, takže tohto materiálu je takmer nekonečná zásoba." Bolo by zvláštne riešenie jednoducho zaviesť do perovskitovej štruktúry kremík, ale mohlo by to byť zavedené ako nanočastice. Takéto častice slúžia ako nanoantennae - zachytávajú svetlo a to v nich rezonuje. A čím dlhšie svetlo zostáva vo fotoaktívnej vrstve, tým viac ho materiál absorbuje, “vysvetľuje profesor fyzikovej a inžinierskej školy ITMO.

Presné výpočty

Ide o to, že kremíkové nanočastice špecifických veľkostí sú rezonančné. Vďaka tomuto efektu môžu nanočastice zosilniť rôzne optické javy, vrátane absorpcie svetla a spontánneho žiarenia. Inými slovami, fungujú ako nanoantennae. Aby však mohli túto vlastnosť využiť, museli vedci vykonať vážne teoretické výpočty a zostaviť model, ktorý zodpovedal za elektrofyzikálne a optické vlastnosti všetkých vrstiev a nanočastíc, keď sú vystavené vonkajšiemu žiareniu a napätiu.

Druhou zásadnou a komplexnou úlohou projektu bolo identifikovať najlepšie miesto pre vyvinutú pastu. Solárne články sa vyrábajú metódou rotačného nanášania, keď sa na seba postupne nanášajú kvapalné vrstvy. To umožňuje vytvárať tenké filmy kontrolovateľne rôznej hrúbky a koncentrácie. Okrem toho je možné počas tejto výroby do filmov pridávať prakticky akékoľvek ďalšie materiály a látky.

"Pomocou kvapalných metód môžeme ľahko rozdeliť množstvo suchých nanočastíc v roztoku." Museli sme sa rozhodnúť, do ktorej vrstvy by sme mali umiestniť Mie-rezonančné častice. Ak by sa dali do perovskitovej vrstvy, poškodili by jej fotoaktívne oblasti. Ak by boli vložené do hornej transportnej vrstvy, svetlo by bolo väčšinou absorbované v čase, keď sa dostalo do nanočastíc cez všetky vrstvy pod nimi. Preto sme nanočastice umiestnili do ďalšej vrstvy po perovskite - týmto spôsobom sú bližšie k svetelnému zdroju a fungujú ako antény efektívnejšie, “hovorí Aleksandra Furasova, prvá autorka príspevku a mladší výskumný pracovník na Fyzikálnej škole ITMO a Strojárstvo.

Jednoduchá technológia

Vyvinutá pasta sa ľahko nanáša a môže byť použitá so solárnymi článkami akéhokoľvek zloženia a konfigurácie. Súčasne nie sú žiadne ďalšie komplikácie vo výrobnom procese, pričom náklady na výsledné zariadenia sa zvyšujú iba o 0,3%.

„Pastu je možné ľahko aplikovať aj inými metódami, nielen rotačným nanášaním. Je to surový univerzálny produkt, ktorý možno použiť v iných typoch solárnych článkov, ako aj pri výrobe rôznych zariadení - fotodetektorov, kombajnov a optoelektroniky. Takáto výroba je tiež šetrná k životnému prostrediu, pretože nepoužívame žiadne vzácne materiály. V dôsledku toho sme vyvinuli celkom technologické riešenie a veríme, že produkt bude univerzálne použiteľný a vyhľadávaný, “uzatvára Sergey Makarov.