Izvor: www.wevolver.com
Istraživači su razvili pastu napravljenu od titanij dioksida i rezonantnih silicija nanočestica koja služi kao dodatni sloj u procesu proizvodnje solarnih ćelija. Mie-rezonantne čestice u pasti omogućuju kontrolu količine svjetlosti apsorbovane i povećavaju generaciju fotokurrenta, što je omogućilo istraživačima da povećaju efikasnost solarnih ćelija do 21%. Važno je da su eksperimenti sprovedeni na perovskitima halida (MAPbI3) koji su najrašireniji i najrazučajeniji u oblasti fotonapetosti.
Dostupni materijali
Halide perovskiti su neki od naj obećavajućih materijala u savremenoj fotonavoltaici, međutim oni imaju jednu značajnu masku: njihov fotoaktivni sloj je samo oko 300-600 nanometara. Takvi tanki slojovi ne mogu apsorbirati svu dolaznu svjetlost, ali istovremeno ne mogu biti gušće – tada će se svjetlost aktivnije raspršiti uzrokujući gubitke energije.
Jedna od dvije strategije može se koristiti za jačanje efikasnosti solarnih ćelija zasnovanih na perovskitu: poboljšanje naboja ili povećanje apsorpcije svjetlosti. Prva strategija zahtijeva korištenje kompleksnijih perovskitnih kompozicija i uvođenje dodatnih supstanci (obično, rijetkih metala), kao i općenito povećanje složenosti strukture. Prirodno, to dovodi do povećanja troškova proizvodnje. Istraživači sa ITMO univerziteta zajedno sa kolegama sa Univerziteta Tor Vergata zaobišli su ovaj problem povećavajući koncentraciju svjetlosti unutar solarnih ćelija. Štoviše, njihovo rješenje koristi silicijum, jedan od elemenata naj dostupnih u prirodi.
"Možemo dobiti silikon iz pijeska, tako da postoji gotovo beskrajna zaliha ovog materijala. Bilo bi čudno rješenje jednostavno uvesti silicijum u perovskitnu strukturu, ali bi se mogao uvesti kao nanočestica. Takve čestice služe kao nanoantennae – hvataju svjetlost i ona odjekuje unutar njih. I što duže svjetlo ostane u fotoaktivnim sloju, više ga apsorbira materijal", objašnjava profesor na ITMO-ovoj Školi fizike i inženjeringa.
Aleksandra Furasova i Sergej Makarov. Fotografija: Ekaterina Shevyreva, ITMO. VIJESTI
Toèni proraèuni
Trik je u tome da su silikonski nanočestice određenih veličina Mie-rezonantne. Zahvaljujući ovom efektu, nanočestice mogu pojačati razne optičke pojave, uključujući apsorpciju svjetlosti i spontano zračenje. Drugim riječima, oni rade kao nanoantennae. Međutim, da bi koristili ovo svojstvo, istraživači su morali provesti ozbiljne teoretske proračune i izgraditi model koji je činio elektrofizička i optička svojstva svih sloja i nanočestica kada su podvrgnuti vanjskom zračenju i naponu.
Pasta za nanočestice koju su razvili istraživači. Fotografija: Ekaterina Shevyreva, ITMO. VIJESTI
Drugi presudni i složeni zadatak projekta bio je identifikacija najbolje lokacije za razvijenu pastu. Solarne ćelije se proizvode metodom spin oblaganja, kada se tekući slojovi sekvencalno nanoše jedni na druge. Tako je moguće stvoriti tanke filmove kontrolirano različite debljine i koncentracije. Štoviše, praktično svaki dodatni materijal i supstance mogu se dodati filmovima tokom takve produkcije.
Proizvodnja perovskite ćelije sa pastom za nanočestice. Fotografija: Ekaterina Shevyreva, ITMO. VIJESTI
"Tekućim metodama možemo lako iznijeti količinu suhih nanočestica u otopinu. Ono što smo morali odlučiti je u kojem sloju bi trebali da smeštamo Mie-rezonantne čestice. Ako se stavi u perovskite sloj, oštetili bi njegove fotoaktivne regije. Da su se stavili u gornji transportni sloj, svjetlost bi se uglavnom apsorbirao do vremena kada bi dosegla nanočestice kroz sve sloje ispod njih. Zato smo nanočestice smještajli u sljedeći sloj nakon perovskita – na ovaj način su bliže izvoru svjetlosti i efikasnije rade kao antene", kaže Aleksandra Furasova, prva autorica novina i mlađi istraživački saradnik u ITMO-ovoj Školi fizike i inženjerstva.
Proizvodnja perovskite ćelije sa pastom za nanočestice. Fotografija: Ekaterina Shevyreva, ITMO. VIJESTI
Jednostavna tehnologija
Razvijena pasta je jednostavna za primjenu i može se koristiti sa solarnim ćelijama bilo koje kompozicije i konfiguracije. Istovremeno, ne postoje dodatne komplikacije u procesu proizvodnje, dok se troškovi rezultujućih uređaja povećavaju za samo 0,3%.
"Pasta se može lako primijeniti i drugim metodama, ne samo spin premalom. To je sirovi univerzalni proizvod koji se može koristiti u drugim vrstama solarnih ćelija, kao i u proizvodnji različitih uređaja – fotodetektora, berača, i optoelektronike. Takva proizvodnja je i ekološki ljubazna, jer ne koristimo rijetke materijale. Kao rezultat toga, razvili smo prilično tehnološko rješenje i vjerujemo da će proizvod biti univerzalno primjenjiv i za njime se traži", zaključuje Sergej Makarov.
