Výzkumníci vytvářejí nanočásticovou pastu, aby maximalizovali účinnost solárních článků perovskitu

Zdroj: www.wevolver.com

Vědci vyvinuli pastu vyrobenou z nanočástic oxidu titaničitého a rezonančních křemíků, která slouží jako další vrstva v procesu výroby solárních článků. Mie rezonanční částice v pastě umožňují řídit množství absorbovaného světla a zvyšovat tvorbu fotoproudu, což vědcům umožnilo zvýšit účinnost solárních článků až na 21%. Důležité je, že experimenty byly prováděny na halogenidových (MAPbI3) perovskitech, které jsou nejrozšířenější a nejlépe studované v oblasti fotovoltaiky.

Dostupné materiály

Halogenidové perovskity jsou jedním z nejslibnějších materiálů v současné fotovoltaice, mají však jednu významnou nevýhodu: jejich fotoaktivní vrstva je jen asi 300-600 nanometrů. Takové tenké vrstvy nemohou absorbovat veškeré přicházející světlo, ale zároveň nemohou být silnější - pak bude světlo rozptýleno aktivněji, což způsobí energetické ztráty.

Ke zvýšení účinnosti solárních článků na bázi perovskitu lze použít jednu ze dvou strategií: zlepšení sběru náboje nebo zvýšení absorpce světla. První strategie vyžaduje použití složitějších perovskitových kompozic a zavedení dalších látek (obvykle vzácných kovů), jakož i obecně zvýšení složitosti struktury. Přirozeně to vede ke zvýšení výrobních nákladů. Vědci z ITMO University společně s kolegy z Tor Vergata University tento problém obešli zvýšením koncentrace světla uvnitř solárních článků. Jejich řešení navíc využívá křemík, jeden z prvků, které jsou v přírodě nejdostupnější.

"Křemík můžeme získávat z písku, takže tohoto materiálu je téměř nekonečné množství." Bylo by divné řešení jednoduše zavést křemík do struktury perovskitu, ale mohlo by to být zavedeno jako nanočástice. Takové částice slouží jako nanoantennae - zachycují světlo a to v nich rezonuje. A čím déle světlo ve fotoaktivní vrstvě zůstane, tím více ho materiál absorbuje, “vysvětluje profesor na škole fyziky a inženýrství ITMO.

Přesné výpočty

Jde o to, že nanočástice křemíku určitých velikostí jsou rezonanční Mie. Díky tomuto efektu mohou nanočástice zesílit různé optické jevy, včetně absorpce světla a spontánního záření. Jinými slovy, fungují jako nanoantennae. Aby však mohli této vlastnosti využít, museli vědci provést seriózní teoretické výpočty a sestavit model, který odpovídal za elektrofyzikální a optické vlastnosti všech vrstev a nanočástic, když jsou vystaveny vnějšímu záření a napětí.

Druhým klíčovým a složitým úkolem projektu bylo identifikovat nejlepší umístění vyvinuté pasty. Solární články se vyrábějí metodou rotačního nanášení, kdy se na sebe postupně nanášejí kapalné vrstvy. To umožňuje vytvářet tenké filmy s kontrolovatelně proměnlivou tloušťkou a koncentrací. Navíc lze během takové výroby do filmů přidávat prakticky jakékoli další materiály a látky.

"Pomocí kapalných metod můžeme snadno rozdělit množství suchých nanočástic v roztoku." Museli jsme se rozhodnout, do které vrstvy bychom měli umístit rezonanční částice Mie. Pokud by byly vloženy do perovskitové vrstvy, poškodily by její fotoaktivní oblasti. Pokud by byly umístěny do horní transportní vrstvy, světlo by bylo většinou absorbováno v době, kdy dosáhlo nanočástic všemi vrstvami pod nimi. Proto jsme nanočástice umístili do další vrstvy po perovskitu - jsou tak blíže ke zdroji světla a fungují jako antény efektivněji, “říká Aleksandra Furasova, první autorka příspěvku a juniorský výzkumný pracovník na ITMO's School of Physics and Inženýrství.

Jednoduchá technologie

Vyvinutá pasta se snadno nanáší a lze ji použít se solárními články jakéhokoli složení a konfigurace. Současně neexistují žádné další komplikace výrobního procesu, přičemž náklady na výsledná zařízení se zvyšují pouze o 0,3%.

"Pastu lze snadno aplikovat i jinými metodami, nejen odstřeďováním. Jedná se o surový univerzální produkt, který lze použít v jiných typech solárních článků i při výrobě různých zařízení - fotodetektorů, kombajnů a optoelektroniky. Taková výroba je také šetrná k životnímu prostředí, protože nepoužíváme žádné vzácné materiály. V důsledku toho jsme vyvinuli docela technologické řešení a věříme, že produkt bude univerzálně použitelný a vyhledávaný, “uzavírá Sergey Makarov.