Kilde: www.wevolver.com
Forskerne udviklede en pasta lavet af titandioxid og resonant silicium nanopartikler, der tjener som et ekstra lag i processen med at producere solceller. Mie-resonantpartiklerne i pastaen gør det muligt at kontrollere mængden af absorberet lys og øge produktionen af fotostrøm, hvilket gjorde det muligt for forskerne at bringe solcellernes effektivitet op på 21%. Det er vigtigt, at forsøgene blev udført på halid (MAPbI3) perovskites, som er de mest udbredte og velundersøgte inden for fotovoltaik.
Tilgængelige materialer
Halide perovskites er nogle af de mest lovende materialer i moderne solceller, men de har en betydelig ulempe: deres fotoaktive lag er kun omkring 300-600 nanometer. Sådanne tynde lag kan ikke absorbere alt det indkommende lys, men samtidig kan de ikke gøres tykkere – så vil lyset blive spredt mere aktivt og forårsage energitab.
En af to strategier kan bruges til at øge effektiviteten af perovskite-baserede solceller: forbedring af opladningsindsamlingen eller øget lysabsorption. Den første strategi kræver brug af mere komplekse perovskite sammensætninger og indføre yderligere stoffer (normalt sjældne metaller), samt generelt øge kompleksiteten af strukturen. Dette fører naturligvis til en stigning i produktionsomkostningerne. Forskere fra ITMO University sammen med kolleger fra Tor Vergata University gik rundt om dette problem ved at øge koncentrationen af lys inde i solceller. Desuden bruger deres løsning silicium, et af de elementer, der er mest tilgængeligt i naturen.
"Vi kan få silicium fra sand, så der er næsten en endeløs forsyning af dette materiale. Det ville have været en mærkelig løsning blot at indføre silicium i perovskite struktur, men det kunne indføres som en nanopartikel. Sådanne partikler tjener som nanoantennae – de fanger lys, og det giver genlyd inde i dem. Og jo længere lys forbliver i det fotoaktive lag, jo mere absorberes det af materialet," forklarer professor ved ITMO's School of Physics and Engineering.
Aleksandra Furasova og Sergey Makarov. Foto af Ekaterina Shevyreva, ITMO. NYHED
Nøjagtige beregninger
Tricket er, at silicium nanopartikler af specifikke størrelser er Mie-resonant. Takket være denne effekt kan nanopartiklerne forstærke forskellige optiske fænomener, herunder lysabsorption og spontan stråling. Med andre ord arbejder de som nanoantennae. Men for at gøre brug af denne egenskab måtte forskerne foretage seriøse teoretiske beregninger og opbygge en model, der tegnede sig for elektrofysiske og optiske egenskaber af alle lag og nanopartikler, når de udsættes for ekstern stråling og spænding.
Nanopartikelpastaen udviklet af forskerne. Foto af Ekaterina Shevyreva, ITMO. NYHED
Den anden afgørende og komplekse opgave for projektet var at identificere den bedste placering for den udviklede pasta. Solceller produceres ved hjælp af spin coating-metoden, når flydende lag påføres hinanden sekventielt. Dette gør det muligt at skabe tynde film af kontrollably varierende tykkelse og koncentration. Desuden kan der praktisk talt tilsættes yderligere materialer og stoffer til film under en sådan produktion.
Produktion af en perovskit celle med nanopartikelpasta. Foto af Ekaterina Shevyreva, ITMO. NYHED
"Med flydende metoder kan vi nemt dele mængden af tørre nanopartikler i en opløsning. Hvad vi var nødt til at beslutte var, i hvilket lag vi skulle placere Mie-resonant partikler. Hvis de sættes i perovskite-laget, vil de beskadige dets fotoaktive regioner. Hvis de skulle sættes i det øverste transportlag, ville lyset for det meste have været absorberet, når det nåede nanopartiklerne gennem alle lagene under dem. Derfor placerede vi nanopartiklerne i det næste lag efter perovskite – på den måde er de tættere på lyskilden og arbejder mere effektivt som antenner," sigerAleksandra Furasova, første forfatter af papiret og en yngre forskningsmedarbejder ved ITMO's School of Physics and Engineering.
Produktion af en perovskit celle med nanopartikelpasta. Foto af Ekaterina Shevyreva, ITMO. NYHED
En simpel teknologi
Den udviklede pasta er enkel at anvende og kan bruges med solceller af enhver sammensætning og konfiguration. Samtidig er der ingen yderligere komplikationer til produktionsprocessen, mens omkostningerne ved de resulterende enheder kun stiger med 0,3%.
"Pastaen kan nemt påføres med andre metoder, ikke kun med spin coating. Det er et rå universelt produkt, der kan bruges i andre typer solceller, såvel som i produktionen af forskellige enheder - fotodetektorer, mejetærskere og optoelektronik. En sådan produktion er også miljøvenlig, da vi ikke bruger nogen sjældne materialer. Derfor har vi udviklet en ganske teknologisk løsning, og vi tror på, at produktet vil være alment anvendeligt og eftertragtet," slutter Sergey Makarov.
