Разработанная учеными паста из наночастиц кремния и диоксида титана наносится в качестве дополнительного слоя при производстве солнечных элементов. Содержащиеся в ней Ми-резонансные частицы позволяют контролируемо управлять количеством поглощенного света и увеличивать генерацию фототока в структуре ― что позволило довести эффективность солнечных элементов до 21%. Причем эксперименты проходили на самых распространенных и хорошо изученных видах перовскитов в области фотовольтаики ― галогенидных (MAPbI₃).

Доступные материалы

Галогенидные перовскиты ― одни из наиболее перспективных в современной фотовольтаике. Однако у солнечных элементов на их основе есть существенный недостаток: фотоактивный слой получается слишком тонким, его толщина составляет всего лишь от 300 до 600 нанометров. Такие слои не могут полностью поглотить весь входящий свет, но и увеличить их толщину невозможно ― это приводит к более активному рассеиванию света и, соответственно, к энергетическим потерям.

Для повышения эффективности солнечных батарей из перовскитов обычно используют две стратегии: улучшение сбора зарядов или увеличение поглощения света. Первый способ предполагает использование более сложных составов перовскитов, внедрения в них дополнительных веществ (чаще всего редких металлов) и общее усложнение структуры. Все это делает стоимость производства значительно дороже. Ученые из ИТМО выбрали другой путь и попробовали увеличить концентрацию света внутри самих солнечных элементов. При этом они использовали один из самых доступных в природе материалов ― кремний.

«Кремний можно получать из песка, а значит, количество этого материала практически бесконечно. Но просто встроить кремний в структуру перовскита было бы странным решением. Однако его можно встраивать в виде наночастицы. Такие частицы работают как наноантенны ― падая на них, свет “запирается” и резонирует. А чем дольше свет находится в фотоактивном слое, тем больше он поглощается материалом», ― объясняет Сергей Макаров, профессор Нового физтеха ИТМО.

Тонкости расчета

Все дело в том, что в наночастицах кремния ― но только при определенных их размерах ― при облучении светом возникают Ми-резонансы. Именно за счет этого эффекта частицы могут усиливать различные оптические явления, в том числе поглощение света, спонтанное излучение ― одним словом, работать как наноантенны. Но чтобы использовать это свойство, ученым пришлось провести серьезные теоретические расчеты и построить целую модель, которая учитывала бы электрофизические и оптические свойства всех слоев и наночастиц и позволяла бы рассчитать генерацию и движение зарядов под действием внешнего облучения и напряжения.

Второй важной и сложной задачей было определить, куда именно нанести пасту. Солнечные элементы производятся методом spin coating, то есть последовательным проливанием жидких слоев друг поверх друга. Это позволяет создавать очень тонкие пленки, а также гибко варьировать их толщину и концентрацию. А еще ― добавлять в них практически любые дополнительные материалы и вещества.

«Преимущество жидких методов в том, что мы можем легко дозировать количество сухих наночастиц в растворе. Вопрос был в том, в какой слой поместить эти Ми-резонансные частицы. Если поместить их в сам перовскитный слой, то они будут “съедать” фотоактивные области в нем. Если поместить их в верхний транспортный слой, то пока свет до него доберется через все нижележащие слои, он уже будет большей частью поглощен. Поэтому мы разместили их в нижнем слое под перовскитом ― так они находятся ближе к источнику света и более эффективно работают как антенны», ― рассказывает Александра Фурасова, первый автор исследования, младший научный сотрудник Нового физтеха ИТМО.

Простая технология

Разработанная учеными паста максимально проста в применении и подходит для солнечных элементов любой конфигурации и состава. При этом сам технологический процесс не усложняется, а стоимость устройств увеличивается всего лишь на 0,3%.

«Пасту очень легко наносить различными методами, не только spin coating, как у нас. Можно сказать, что это сырой продукт, который может быть использован и в других типах солнечных батарей. Это универсальная паста, которая может быть использована во всевозможных дизайнах солнечных элементов, а также при производстве различных устройств: фотодетекторов, харвестеров, оптоэлектронных устройств. При этом это производство экологичное, ведь мы не используем редкие материалы. В итоге у нас получилось достаточно технологичное решение, и мы верим, что это будет универсальный, востребованный продукт», ― заключает Сергей Макаров.