Pētnieki izveido nanodaļiņu pastu, lai maksimāli palielinātu perovskīta saules šūnu efektivitāti

Avots: www.wevolver.com

Pētnieki izstrādāja pastu, kas izgatavota no titāna dioksīda un rezonējošām silīcija nanodaļiņām, kas kalpo kā papildu slānis saules bateriju ražošanas procesā. Pastā esošās Mie rezonanses daļiņas ļauj kontrolēt absorbētās gaismas daudzumu un palielināt fotostrāvas veidošanos, kas ļāva pētniekiem paaugstināt saules bateriju efektivitāti līdz 21%. Svarīgi ir tas, ka eksperimenti tika veikti ar halogenīdu (MAPbI3) perovskītiem, kas ir visplašāk izplatītie un labi pētītie fotoelementu jomā.

Pieejamie materiāli

Halogenīdu perovskīti ir daži no daudzsološākajiem materiāliem mūsdienu fotoelektriskajā enerģijā, tomēr tiem ir viens būtisks trūkums: to fotoaktīvais slānis ir tikai aptuveni 300–600 nanometri. Šādi plāni slāņi nevar absorbēt visu ienākošo gaismu, bet tajā pašā laikā tos nevar padarīt biezākus - tad gaisma tiks aktīvāk izkliedēta, izraisot enerģijas zudumus.

Lai uzlabotu perovskīta bāzes saules bateriju efektivitāti, var izmantot vienu no divām stratēģijām: uzlabot lādiņu savākšanu vai palielināt gaismas absorbciju. Pirmā stratēģija prasa izmantot sarežģītākas perovskīta kompozīcijas un ieviest papildu vielas (parasti retos metālus), kā arī kopumā palielināt struktūras sarežģītību. Protams, tas palielina ražošanas izdevumus. Pētnieki no ITMO universitātes kopā ar kolēģiem no Tor Vergata universitātes apiet šo problēmu, palielinot gaismas koncentrāciju saules baterijās. Turklāt to risinājums izmanto silīciju, kas ir viens no dabā vispieejamākajiem elementiem.

“Mēs varam iegūt silīciju no smiltīm, tāpēc šī materiāla piedāvājums ir gandrīz bezgalīgs. Tas būtu bijis dīvains risinājums, vienkārši ievedot silīciju perovskīta struktūrā, bet to varētu ieviest kā nanodaļiņu. Šādas daļiņas kalpo kā nanoantenas - tās uztver gaismu un tās rezonē to iekšienē. Un jo ilgāk gaisma paliek fotoaktīvajā slānī, jo vairāk materiāls to absorbē, ”skaidro ITMO Fizikas un inženierzinātņu skolas profesors.

Precīzi aprēķini

Triks ir tāds, ka īpašu izmēru silīcija nanodaļiņas ir Mie rezonanses. Pateicoties šim efektam, nanodaļiņas var pastiprināt dažādas optiskās parādības, ieskaitot gaismas absorbciju un spontānu starojumu. Citiem vārdiem sakot, tie darbojas kā nanoantenas. Tomēr, lai izmantotu šo īpašumu, pētniekiem bija jāveic nopietni teorētiski aprēķini un jāizveido modelis, kas ņem vērā visu slāņu un nanodaļiņu elektrofizikālās un optiskās īpašības, kad tās tiek pakļautas ārējam starojumam un spriegumam.

Otrs izšķirošais un sarežģītais projekta uzdevums bija noteikt labāko vietu izstrādātajai pastai. Saules baterijas tiek ražotas, izmantojot centrifūgas pārklāšanas metodi, kad šķidros slāņus secīgi uzklāj viens otram. Tas ļauj izveidot plānas, dažāda biezuma un koncentrācijas plēves. Turklāt šādas ražošanas laikā plēvēm var pievienot praktiski jebkādus papildu materiālus un vielas.

"Ar šķidrām metodēm mēs varam viegli sadalīt sauso nanodaļiņu daudzumu šķīdumā. Mums bija jāizlemj, kurā slānī mums vajadzētu ievietot Mie rezonanses daļiņas. Ievietojot perovskīta slānī, tie sabojātu tā fotoaktīvos reģionus. Ja tie tiktu ievietoti augšējā transporta slānī, gaisma lielākoties būtu absorbēta līdz brīdim, kad tā sasniedza nanodaļiņas caur visiem slāņiem zem tiem. Tāpēc mēs ievietojām nanodaļiņas nākamajā slānī aiz perovskīta - tādā veidā tās ir tuvāk gaismas avotam un efektīvāk darbojas kā antenas, ”stāsta Aleksandra Furasova, darba pirmā autore un ITMO Fizikas skolas jaunākā zinātniskā līdzstrādniece. Inženierzinātnes.

Vienkārša tehnoloģija

Izstrādāto pastu ir viegli uzklāt, un to var izmantot ar jebkura sastāva un konfigurācijas saules baterijām. Tajā pašā laikā ražošanas procesā nav papildu sarežģījumu, savukārt iegūto ierīču izmaksas palielinās tikai par 0,3%.

“Pastas var viegli uzklāt ar citām metodēm, ne tikai ar vērpšanas pārklājumu. Tas ir universāls neapstrādāts produkts, ko var izmantot cita veida saules baterijās, kā arī dažādu ierīču - fotodetektoru, kombainu un optoelektronikas - ražošanā. Šāda ražošana ir arī videi draudzīga, jo mēs neizmantojam retus materiālus. Tā rezultātā mēs esam izstrādājuši diezgan tehnoloģisku risinājumu, un mēs uzskatām, ka produkts būs universāli piemērojams un pieprasīts, ”secina Sergejs Makarovs.