Onderzoekers maken nanodeeltjespasta om de efficiëntie van perovskiet-zonnecellen te maximaliseren

Bron: www.wevolver.com

De onderzoekers ontwikkelden een pasta gemaakt van titaniumdioxide en resonerende silicium nanodeeltjes die als een extra laag dienen bij het produceren van zonnecellen. De Mie-resonante deeltjes in de pasta maken het mogelijk om de hoeveelheid geabsorbeerd licht te regelen en de opwekking van fotostroom te verhogen, waardoor de onderzoekers het rendement van zonnecellen op 21% konden brengen. Belangrijk is dat de experimenten werden uitgevoerd op halide (MAPbI3) perovskieten, de meest voorkomende en best bestudeerde op het gebied van fotovoltaïsche energie.

Beschikbare materialen

Halide perovskieten zijn enkele van de meest veelbelovende materialen in de hedendaagse fotovoltaïsche energie, maar ze hebben één belangrijk nadeel: hun fotoactieve laag is slechts ongeveer 300-600 nanometer. Zulke dunne lagen kunnen niet al het invallende licht absorberen, maar tegelijkertijd kunnen ze niet dikker worden gemaakt - dan zal het licht actiever worden verspreid, wat energieverlies veroorzaakt.

Een van de twee strategieën kan worden gebruikt om de efficiëntie van op perovskiet gebaseerde zonnecellen te verhogen: het verbeteren van de ladingsverzameling of het verhogen van de lichtabsorptie. De eerste strategie vereist het gebruik van complexere perovskietsamenstellingen en het introduceren van extra stoffen (meestal zeldzame metalen), evenals in het algemeen het vergroten van de complexiteit van de structuur. Dit leidt uiteraard tot een stijging van de productiekosten. Onderzoekers van ITMO University hebben samen met collega's van Tor Vergata University dit probleem omzeild door de concentratie van licht in zonnecellen te verhogen. Bovendien maakt hun oplossing gebruik van silicium, een van de elementen die het meest toegankelijk zijn in de natuur.

“We kunnen silicium halen uit zand, dus er is bijna een eindeloze voorraad van dit materiaal. Het zou een vreemde oplossing zijn geweest om simpelweg silicium in de perovskietstructuur te introduceren, maar het zou ook als nanodeeltje kunnen worden geïntroduceerd. Dergelijke deeltjes dienen als nanoantennes - ze vangen licht en het resoneert erin. En hoe langer licht in de fotoactieve laag blijft, hoe meer het door het materiaal wordt geabsorbeerd”, legt professor aan ITMO's School of Physics and Engineering uit.

Exacte berekeningen

De truc is dat silicium nanodeeltjes van specifieke afmetingen Mie-resonant zijn. Dankzij dit effect kunnen de nanodeeltjes verschillende optische fenomenen versterken, waaronder lichtabsorptie en spontane straling. Met andere woorden, ze werken als nanoantennes. Om van deze eigenschap gebruik te maken, moesten de onderzoekers serieuze theoretische berekeningen uitvoeren en een model bouwen dat rekening hield met de elektrofysische en optische eigenschappen van alle lagen en nanodeeltjes wanneer ze worden blootgesteld aan externe straling en spanning.

De tweede cruciale en complexe taak van het project was het identificeren van de beste locatie voor de ontwikkelde pasta. Zonnecellen worden geproduceerd met behulp van de spincoatingmethode, waarbij vloeistoflagen achtereenvolgens op elkaar worden aangebracht. Dit maakt het mogelijk om dunne films te creëren met een controleerbaar variërende dikte en concentratie. Bovendien kunnen tijdens een dergelijke productie vrijwel alle extra materialen en stoffen aan films worden toegevoegd.

“Met vloeibare methoden kunnen we eenvoudig de hoeveelheid droge nanodeeltjes in een oplossing verdelen. Wat we moesten beslissen was in welke laag we de Mie-resonante deeltjes moesten plaatsen. Als ze in de perovskietlaag worden geplaatst, zouden ze de fotoactieve gebieden ervan beschadigen. Als ze in de bovenste transportlaag zouden worden geplaatst, zou het licht grotendeels zijn geabsorbeerd tegen de tijd dat het de nanodeeltjes bereikte door alle lagen eronder. Daarom hebben we de nanodeeltjes in de volgende laag na de perovskiet geplaatst – op deze manier zijn ze dichter bij de lichtbron en werken ze efficiënter als antennes”, zegt Aleksandra Furasova, eerste auteur van het artikel en een junior onderzoeksmedewerker bij ITMO's School of Physics en Engineering.

Een eenvoudige technologie

De ontwikkelde pasta is eenvoudig aan te brengen en kan worden gebruikt met zonnecellen van elke samenstelling en configuratie. Tegelijkertijd zijn er geen extra complicaties aan het productieproces, terwijl de kosten van de resulterende apparaten met slechts 0,3% stijgen.

“De pasta kan eenvoudig met andere methoden worden aangebracht, niet alleen met spincoating. Het is een ruw universeel product dat kan worden gebruikt in andere soorten zonnecellen, maar ook in de productie van verschillende apparaten - fotodetectoren, oogstmachines en opto-elektronica. Een dergelijke productie is ook milieuvriendelijk, omdat we geen zeldzame materialen gebruiken. Als gevolg hiervan hebben we een behoorlijk technologische oplossing ontwikkeld en we denken dat het product universeel toepasbaar en gewild zal zijn”, besluit Sergey Makarov.