Teadlased loovad nanoosakeste pasta, et maksimeerida Perovskiidi päikesepatareide efektiivsust

Allikas: www.wevolver.com

Teadlased töötasid välja titaandioksiidist ja resonantsetest räni nanoosakestest valmistatud pasta, mis toimib päikesepatareide tootmise protsessis lisakihina. Pasta sisaldavad Mie-resonantsosakesed võimaldavad kontrollida neeldunud valguse hulka ja suurendada fotovoolu teket, mis võimaldas teadlastel tõsta päikesepatareide efektiivsust kuni 21%. Oluline on see, et katsed viidi läbi halogeniidi (MAPbI3) perovskiitidega, mis on fotogalvaanika valdkonnas kõige levinumad ja hästi uuritud.

Saadaval olevad materjalid

Haliidi perovskiidid on tänapäeva fotogalvaanika kõige lootustandvamad materjalid, kuid neil on üks oluline puudus: nende fotoaktiivne kiht on vaid umbes 300–600 nanomeetrit. Sellised õhukesed kihid ei suuda absorbeerida kogu sissetulevat valgust, kuid samal ajal ei saa neid paksemaks muuta - siis hajub valgus aktiivsemalt, põhjustades energiakadu.

Perovskiidipõhiste päikesepatareide efektiivsuse suurendamiseks saab kasutada ühte kahest strateegiast: laengu kogumise parandamine või valguse neeldumise suurendamine. Esimene strateegia nõuab keerukamate perovskiitkompositsioonide kasutamist ja täiendavate ainete (tavaliselt haruldaste metallide) kasutuselevõttu, samuti struktuuri üldise keerukuse suurendamist. Loomulikult toob see kaasa tootmiskulude kasvu. ITMO ülikooli teadlased koos Tor Vergata ülikooli kolleegidega läksid sellest probleemist mööda, suurendades valguse kontsentratsiooni päikesepatareides. Lisaks kasutatakse nende lahenduses räni, mis on üks looduses kõige kättesaadavamaid elemente.

"Räni saame liivast, nii et seda materjali on peaaegu lõputult. Oleks olnud kummaline lahendus lihtsalt räni sisestamine perovskiidi struktuuri, kuid seda oleks võimalik kasutada nanoosakesena. Sellised osakesed toimivad nanoantennidena - nad püüavad valgust ja see kajastub nende sees. Ja mida kauem valgus fotoaktiivses kihis püsib, seda rohkem materjal seda neelab, ”selgitab ITMO füüsika- ja insenerikooli professor.

Täpsed arvutused

Trikk on selles, et teatud suurusega räni nanoosakesed on Mie-resonantsed. Tänu sellele efektile saavad nanoosakesed võimendada erinevaid optilisi nähtusi, sealhulgas valguse neeldumist ja spontaanset kiirgust. Teisisõnu, nad töötavad nanoantennidena. Kuid selle omaduse kasutamiseks pidid teadlased tegema tõsiseid teoreetilisi arvutusi ja koostama mudeli, mis arvestaks kõigi kihtide ja nanoosakeste elektrofüüsikalisi ja optilisi omadusi, kui need on allutatud välisele kiirgusele ja pingele.

Projekti teine ​​oluline ja keeruline ülesanne oli välja töötatud pasta jaoks parima asukoha kindlaksmääramine. Päikesepatareid toodetakse tsentrifuugimise meetodil, kui vedelaid kihte üksteisele üksteise peale kantakse. See võimaldab luua õhukesi, erineva paksuse ja kontsentratsiooniga kileid. Pealegi võib sellise tootmise ajal kiledele lisada praktiliselt mingeid lisamaterjale ja -aineid.

"Vedelate meetoditega saame hõlpsalt portsjoni lahuses kuivade nanoosakeste koguseid jaotada. Me pidime otsustama, millisesse kihti peaksime asetama Mie-resonantsosakesed. Kui need panna perovskite kihti, kahjustavad nad selle fotoaktiivseid piirkondi. Kui need tuleks paigutada ülemisse transpordikihti, oleks valgus enamasti neeldunud selleks ajaks, kui see jõuab nanoosakesteni läbi kõigi nende all olevate kihtide. Seetõttu paigutasime nanoosakesed järgmisse kihti pärast perovskiiti - nii on nad valgusallikale lähemal ja töötavad antennidena tõhusamalt, ”ütleb Aleksandra Furasova, artikli esimene autor ja ITMO füüsikakooli nooremteadur ja Inseneritehnika.

Lihtne tehnoloogia

Arendatud pastat on lihtne peale kanda ning seda saab kasutada koos mis tahes koostise ja konfiguratsiooniga päikesepatareidega. Samal ajal ei teki tootmisprotsessis täiendavaid tüsistusi, samas kui saadud seadmete maksumus suureneb vaid 0,3%.

“Pasta saab hõlpsasti peale kanda ka teiste meetoditega, mitte ainult tsentrifuugkattega. See on universaalne toores toode, mida saab kasutada muud tüüpi päikesepatareides, aga ka mitmesuguste seadmete - fotodetektorite, kombainide ja optoelektroonika - tootmisel. Selline tootmine on ka keskkonnasõbralik, kuna me ei kasuta haruldasi materjale. Selle tulemusena oleme välja töötanud üsna tehnoloogilise lahenduse ja usume, et toode on universaalselt kasutatav ja ihaldatud, ”võtab Sergei Makarov kokku.