Вчені нового фізтеха ітмо створили пасту з наночастинок кремнію і діоксиду титану, щоб підвищити генерацію вироблення фототоку в перовскітних сонячних елементах і збільшити ефективність їх роботи до максимуму. Результат роботи дослідників опублікований в престижному міжнародному журналі nano energy.
Ефективність сонячних елементів з галогенідних перовскитів вже перевищує 25% при їх низькій вартості, що робить їх одними з найбільш перспективними в сучасній фотовольтаїці. Для поліпшення ефективності зазвичай використовують дві стратегії: поліпшення збору зарядів або збільшення поглинання світла. Однак перший спосіб має на увазі впровадження додаткових речовин в структуру перовскиту або включення 2-d структур, що значно здорожує вартість отримання пристроїв. Дослідники університету ітмо вирішили обійти цю проблему – вони використовували один з найдоступніших в природі елементів — кремній — і за допомогою методів колоїдної хімії створили з наночастинок на його основі пасту для контролю розподілу світла всередині перовскітного сонячного елемента. Це дозволило підвищити генерацію фототоку в структурі і збільшити ефективність сонячних елементів на основі найпростішого складу перовскіту до максимуму.
” це буквально модернізована паста, яка необхідна перовскітним елементам для селективного збору зарядів, в яку просто додаються резонансні наночастинки в необхідній кількості, після чого вона наноситься під час виробництва сонячних елементів. При цьому сам технологічний процес не ускладнюється, а вартість кремнієвих частинок невисока, — пояснює перший автор дослідження, молодший науковий співробітник нового фізтеха ітмо олександра фурасова. – також ми вивчили вплив відстані між наночастинками в елементах на спрямованість розсіювання світла ними і змінювали концентрацію їх в пасті, щоб максимально сконцентрувати все вхідне світло в перовскітній області. Від цього безпосередньо залежить ефективність конверсії світла в електрику і всі основні фотовольтаїчні параметри. За допомогою мультифізичних розрахунків ми знайшли оптимальну концентрацію наночастинок і приготували ідеальну пасту для створення електронно-транспортного шару, де ми досягли практично максимальної ефективності для даного типу сонячних елементів».
За словами дослідників, важливо було оптимізувати положення наночастинок кремнію всередині складу. Спеціально для цього вчені побудували теоретичну модель, яка враховувала електрофізичні та оптичні властивості всіх шарів і наночастинок, що дозволяє розрахувати генерацію і рух зарядів під дією зовнішнього опромінення і напруги. Це дозволило визначити, як розмір наночастинок впливає на оптичні та електрофізичні властивості конструкції.
Запропонований вченими метод простий, доступний, універсальний для використання і не вимагає значного збільшення витрат при виробництві сонячних елементів.
” у цій роботі ми використовуємо метод spin coating, тобто ми отримуємо однорідні тонкі плівки при осадженні рідин на обертових плоских підкладках, але можна використовувати й інші способи для масштабування технології. Отримана паста-універсальний продукт, який може бути застосований і при створенні перовскітних сонячних батарей інших типів, а також для виробництва фотодетекторів та інших оптоелектронних пристроїв на основі перовскитів. Ми віримо, що це буде затребуване рішення», — підкреслює професор нового фізтеху ітмо сергій макаров.
Дослідження було проведено у співпраці з центром гібридної та органічної сонячної енергії (centre for hybrid and organic solar energy) при римському університеті тор вергата і підтримано грантом рнф (19-19-00683).
09.09.2021