Tutkijat luovat nanopartikkelitahnan maksimoidakseen perovskiitti -aurinkokennojen tehokkuuden

Lähde: www.wevolver.com

Tutkijat kehittivät titaanidioksidista ja resonanssisista piinanohiukkasista valmistetun tahnaa, joka toimii lisäkerroksena aurinkokennojen tuotantoprosessissa. Tahnassa olevat Mie-resonanssihiukkaset mahdollistavat absorboidun valon määrän hallinnan ja lisäävät valovirran muodostumista, minkä ansiosta tutkijat voivat nostaa aurinkokennojen tehokkuuden jopa 21%: iin. Tärkeää on, että kokeet suoritettiin halogenidi (MAPbI3) -perovskiiteillä, jotka ovat yleisimpiä ja hyvin tutkittuja aurinkosähköalalla.

Saatavilla olevat materiaalit

Halidi-perovskiitit ovat eräitä lupaavimmista materiaaleista nykyaikaisessa aurinkosähkössä, mutta niillä on yksi merkittävä haitta: niiden fotoaktiivinen kerros on vain noin 300-600 nanometriä. Tällaiset ohuet kerrokset eivät pysty absorboimaan kaikkea tulevaa valoa, mutta samalla niitä ei voida tehdä paksumpia - sitten valo hajautuu aktiivisemmin aiheuttaen energiahäviöitä.

Yksi kahdesta strategiasta voidaan lisätä perovskiittipohjaisten aurinkokennojen tehokkuutta: varauksen keräämisen parantaminen tai valon imeytymisen lisääminen. Ensimmäinen strategia edellyttää monimutkaisempien perovskiittikoostumusten käyttöä ja lisäaineiden (yleensä harvinaisten metallien) käyttöönottoa sekä rakenteen monimutkaisuuden yleistä lisäämistä. Tämä johtaa luonnollisesti tuotantokustannusten kasvuun. ITMO -yliopiston tutkijat yhdessä Tor Vergatan yliopiston kollegoiden kanssa kiertivät tämän ongelman lisäämällä valon pitoisuutta aurinkokennojen sisällä. Lisäksi niiden ratkaisussa käytetään piitä, joka on yksi luonnossa parhaiten saatavilla olevista elementeistä.

”Voimme saada piitä hiekasta, joten tätä materiaalia on lähes loputtomasti. Olisi ollut outo ratkaisu yksinkertaisesti lisätä piitä perovskiittirakenteeseen, mutta se voitaisiin ottaa käyttöön nanohiukkasena. Tällaiset hiukkaset toimivat nanoantenneina - ne tarttuvat valoon ja se resonoi niiden sisällä. Ja mitä kauemmin valo pysyy valoaktiivisessa kerroksessa, sitä enemmän se imeytyy materiaaliin ”, kertoo ITMOn fysiikan ja tekniikan korkeakoulun professori.

Tarkat laskelmat

Temppu on, että tietyn kokoiset piinanopartikkelit ovat Mie-resonanssisia. Tämän vaikutuksen ansiosta nanohiukkaset voivat vahvistaa erilaisia ​​optisia ilmiöitä, mukaan lukien valon absorptio ja spontaani säteily. Toisin sanoen ne toimivat nanoantenneina. Tämän ominaisuuden hyödyntämiseksi tutkijoiden oli kuitenkin suoritettava vakavia teoreettisia laskelmia ja rakennettava malli, joka huomioi kaikkien kerrosten ja nanohiukkasten elektrofysikaaliset ja optiset ominaisuudet, kun ne altistuvat ulkoiselle säteilylle ja jännitteelle.

Projektin toinen tärkeä ja monimutkainen tehtävä oli kehitetylle tahnalle parhaan paikan tunnistaminen. Aurinkokennot valmistetaan linkouspinnoitusmenetelmällä, kun nestemäiset kerrokset levitetään peräkkäin toisilleen. Tämä mahdollistaa ohuiden kalvojen luomisen, joiden paksuus ja konsentraatio vaihtelevat hallittavasti. Lisäksi kalvoihin voidaan lisätä käytännössä mitä tahansa lisämateriaaleja ja aineita tällaisen tuotannon aikana.

”Nestemäisillä menetelmillä voimme helposti jakaa kuivien nanohiukkasten määrän liuoksessa. Meidän piti päättää, mihin kerrokseen meidän tulisi sijoittaa Mie-resonanssihiukkaset. Jos ne asetetaan perovskiittikerrokseen, ne vahingoittavat sen valoaktiivisia alueita. Jos ne asetettaisiin ylempään kuljetuskerrokseen, valo olisi enimmäkseen absorboitunut siihen mennessä, kun se saavutti nanohiukkaset kaikkien niiden alla olevien kerrosten läpi. Siksi sijoitimme nanohiukkaset seuraavalle kerrokselle perovskiitin jälkeen - tällä tavalla ne ovat lähempänä valonlähdettä ja toimivat antenneina tehokkaammin ”, sanoo artikkelin ensimmäinen kirjoittaja ja ITMO: n fysiikan korkeakoulun nuorempi tutkija Aleksandra Furasova. Tekniikka.

Yksinkertainen tekniikka

Kehitetty tahna on helppo levittää ja sitä voidaan käyttää minkä tahansa koostumuksen ja kokoonpanon aurinkokennojen kanssa. Samaan aikaan tuotantoprosessissa ei ole muita komplikaatioita, kun taas syntyvien laitteiden kustannukset nousevat vain 0,3%.

”Tahna voidaan levittää helposti muilla menetelmillä, ei pelkästään linkouspinnoitteella. Se on raaka universaali tuote, jota voidaan käyttää muun tyyppisissä aurinkokennoissa sekä erilaisten laitteiden - valonilmaisimien, harvesterien ja optoelektroniikan - tuotannossa. Tällainen tuotanto on myös ympäristöystävällistä, koska emme käytä harvinaisia ​​materiaaleja. Tämän seurauksena olemme kehittäneet varsin teknisen ratkaisun ja uskomme, että tuote on yleisesti sovellettava ja haluttu ”, Sergei Makarov päättää.