Πηγή: www.wevolver.com
Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια πάστα κατασκευασμένη από διοξείδιο του τιτανίου και νανοσωματίδια πυριτίου που χρησιμεύει ως ένα πρόσθετο στρώμα στη διαδικασία παραγωγής ηλιακών κυττάρων. Τα σωματίδια Mie-ηχηρό στην πάστα καθιστούν δυνατό τον έλεγχο της ποσότητας του φωτός που απορροφάται και αυξάνουν την παραγωγή φωτορεύματα, γεγονός που επέτρεψε στους ερευνητές να φέρουν την απόδοση των ηλιακών κυττάρων έως και 21%. Είναι σημαντικό ότι τα πειράματα διεξήχθησαν σε αλογονίδιο (MAPbI3) perovskites, τα οποία είναι τα πιο διαδεδομένα και καλά μελετημένο στον τομέα των φωτοβολταϊκών.
Διαθέσιμα υλικά
Τα halide perovskites είναι μερικά από τα πιο ελπιδοφόρα υλικά στα σύγχρονα φωτοβολταϊκά, ωστόσο έχουν ένα σημαντικό μειονέκτημα: το φωτοδραστικό στρώμα τους είναι μόνο περίπου 300-600 νανόμετρα. Τέτοια λεπτά στρώματα δεν μπορούν να απορροφήσουν όλο το εισερχόμενο φως, αλλά ταυτόχρονα δεν μπορούν να γίνουν παχύτερα - τότε, το φως θα διασκορπιστεί πιο ενεργά προκαλώντας ενεργειακές απώλειες.
Μία από τις δύο στρατηγικές μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ενίσχυση της αποτελεσματικότητας των ηλιακών κυττάρων με βάση το perovskite: βελτίωση της συλλογής φορτίων ή αύξηση της απορρόφησης του φωτός. Η πρώτη στρατηγική απαιτεί τη χρήση πιο σύνθετων συνθέσεων perovskite και την εισαγωγή πρόσθετων ουσιών (συνήθως, σπάνια μέταλλα), καθώς και γενικά την αύξηση της πολυπλοκότητας της δομής. Φυσικά, αυτό οδηγεί σε αύξηση των δαπανών παραγωγής. Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο ITMO μαζί με συναδέλφους από το Πανεπιστήμιο Tor Vergata αντιμετώπιησαν αυτό το πρόβλημα αυξάνοντας τη συγκέντρωση φωτός μέσα στα ηλιακά κύτταρα. Επιπλέον, η λύση τους χρησιμοποιεί πυρίτιο, ένα από τα πιο προσιτά στοιχεία στη φύση.
"Μπορούμε να πάρουμε πυρίτιο από την άμμο, έτσι υπάρχει σχεδόν μια ατελείωτη προμήθεια αυτού του υλικού. Θα ήταν μια παράξενη λύση να εισαγάγουμε απλά το πυρίτιο στη δομή perovskite, αλλά θα μπορούσε να εισαχθεί ως νανοσωματίδιο. Τέτοια σωματίδια χρησιμεύουν ως νανοαντεννέ – πιάνουν φως και αντηχεί μέσα τους. Και όσο περισσότερο το φως παραμένει στο φωτοδραστικό στρώμα, τόσο περισσότερο απορροφάται από το υλικό», εξηγεί, καθηγητής στη Σχολή Φυσικής και Μηχανικής του ITMO.
Αλεξάντρα Φουράσοβα και Σεργκέι Μακάροφ. Φωτογραφία: Αικατερίνη Σεβρέβα, ITMO. ΕΙΔΉΣΕΙΣ
Ακριβείς υπολογισμοί
Το κόλπο είναι ότι τα νανοσωματίδια πυριτίου συγκεκριμένων μεγεθών είναι Mie-ηχηρό. Χάρη σε αυτό το αποτέλεσμα, τα νανοσωματίδια μπορούν να ενισχύσουν διάφορα οπτικά φαινόμενα, συμπεριλαμβανομένης της απορρόφησης του φωτός και της αυθόρμητης ακτινοβολίας. Με άλλα λόγια, λειτουργούν ως νανοαντενννέ. Ωστόσο, για να κάνουν χρήση αυτής της ιδιότητας, οι ερευνητές έπρεπε να διεξάγουν σοβαρούς θεωρητικούς υπολογισμούς και να δημιουργήσουν ένα μοντέλο που να λαμβάνει υπόψη τις ηλεκτροφυσικές και οπτικές ιδιότητες όλων των στρωμάτων και νανοσωματιδίων όταν υποβάλλονται σε εξωτερική ακτινοβολία και τάση.
Η πάστα νανοσωματιδίων που αναπτύχθηκε από τους ερευνητές. Φωτογραφία: Αικατερίνη Σεβρέβα, ITMO. ΕΙΔΉΣΕΙΣ
Το δεύτερο κρίσιμο και σύνθετο έργο του έργου ήταν ο προσδιορισμός της καλύτερης θέσης για την ανεπτυγμένη πάστα. Τα ηλιακά κύτταρα παράγονται χρησιμοποιώντας τη μέθοδο επίστρωσης περιστροφής, όταν τα υγρά στρώματα εφαρμόζονται διαδοχικά το ένα στο άλλο. Αυτό καθιστά δυνατή τη δημιουργία λεπτών μεμβρανών ελεγχόμενου πάχους και συγκέντρωσης. Επιπλέον, σχεδόν τυχόν πρόσθετα υλικά και ουσίες μπορούν να προστεθούν σε ταινίες κατά τη διάρκεια μιας τέτοιας παραγωγής.
Παραγωγή ενός κυττάρου perovskite με την πάστα νανοσωματιδίων. Φωτογραφία: Αικατερίνη Σεβρέβα, ITMO. ΕΙΔΉΣΕΙΣ
"Με τις υγρές μεθόδους μπορούμε εύκολα να μοιράσουμε την ποσότητα των ξηρών νανοσωματιδίων σε μια λύση. Αυτό που έπρεπε να αποφασίσουμε ήταν σε ποιο στρώμα θα έπρεπε να τοποθετήσουμε τα σωματίδια Mie-ηχώ. Εάν τοποθετηθούν στο στρώμα perovskite, θα βλάψουν τις φωτοδραστικές περιοχές του. Εάν επρόκειτο να τοποθετηθούν στο ανώτερο στρώμα μεταφοράς, το φως θα είχε απορροφηθεί ως επί το πλείστον από τη στιγμή που έφτασε στα νανοσωματίδια μέσω όλων των στρωμάτων κάτω από αυτά. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τοποθετήσαμε τα νανοσωματίδια στο επόμενο στρώμα μετά το perovskite - με αυτόν τον τρόπο είναι πιο κοντά στην πηγή φωτός και λειτουργούν ως κεραίες πιο αποτελεσματικά»,λέει ηAleksandra Furasova, πρώτη συγγραφέας της εργασίας και junior ερευνητική συνεργάτης στη Σχολή Φυσικής και Μηχανικής του ITMO.
Παραγωγή ενός κυττάρου perovskite με την πάστα νανοσωματιδίων. Φωτογραφία: Αικατερίνη Σεβρέβα, ITMO. ΕΙΔΉΣΕΙΣ
Μια απλή τεχνολογία
Η ανεπτυγμένη πάστα είναι απλή στην εφαρμογή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ηλιακά κύτταρα οποιασδήποτε σύνθεσης και διαμόρφωσης. Ταυτόχρονα, δεν υπάρχουν πρόσθετες επιπλοκές στη διαδικασία παραγωγής, ενώ το κόστος των συσκευών που προκύπτουν αυξάνεται μόνο κατά 0,3%.
"Η πάστα μπορεί εύκολα να εφαρμοστεί με άλλες μεθόδους, όχι μόνο με επίστρωση περιστροφής. Είναι ένα ακατέργαστο καθολικό προϊόν που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε άλλους τύπους ηλιακών κυττάρων, καθώς και στην παραγωγή διαφόρων συσκευών - φωτοανιχνευτές, θεριζοαλωνιστικές και οπτοηλεκτρονική. Μια τέτοια παραγωγή είναι επίσης φιλική προς το περιβάλλον, καθώς δεν χρησιμοποιούμε σπάνια υλικά. Ως αποτέλεσμα, έχουμε αναπτύξει μια αρκετά τεχνολογική λύση και πιστεύουμε ότι το προϊόν θα είναι παγκοσμίως εφαρμόσιμο και περιζήτητο", καταλήγει ο Σεργκέι Μακάροφ.
