В ИТМО увеличили эффективность солнечных элементов с помощью кремниевых наноантенн

Солнечные батареи — двигатели беспроводной автономной электроники. Ключевой компонент батарей — солнечные элементы. Эти устройства напрямую преобразуют свет в электричество. Главное препятствие к массовому внедрению батарей — невысокая эффективность: максимальное КПД в передовых лабораториях достигает значений чуть выше 26%. Но даже такой результат получить достаточно затратно, поскольку физикам приходится соблюдать специальные условия: использовать особо чистые помещения, ультрачистые материалы.

Повысить эффективность солнечных элементов и батарей в целом можно с помощью разработки полупроводниковых материалов, которые хорошо поглощают свет. Перспективными в этой области считаются перовскиты — легкие, тонкие и простые в изготовлении полупроводники, на основе которых можно создавать тонкие солнечные элементы с разной формой изгиба, малым весом и для различных условий освещения. Однако перовскиты, как и другие полупроводники, могут поглощать только определенную часть спектра солнечного света и потому вырабатывают меньше энергии, чем поступает от источника.

Чтобы решить эту проблему, в ИТМО создали перовскитные солнечные элементы с добавлением оптических резонансных наноантенн на основе кремния. Наноантенны в зависимости от своего размера и показателя преломления резонансно рассеивают свет и за счет этого усиливают его концентрацию в перовските на определенных длинах волн: в данном случае на 500–800 нм. Метод универсален и подойдет для разных типов полупроводников из перовскита, которые поглощают свет разного спектрального диапазона.

Физики провели эксперимент: ввели в солнечный элемент несколько растворов наночастиц, которые усиливают свет в различных диапазонах: голубом, зеленом, желтом, красном и ближнем ИК. Полученные образцы проверили с помощью симулятора солнечного света и измерили коэффициент преобразования света в электричество.

По сравнению с изначальным образцом — солнечным элементом из перовскита с КПД в 19% — эффективность образцов с антеннами выросла. Наиболее эффективными оказались два раствора частиц-наноантенн. Образец с наночастицами со средним размером 160 нм показал максимальную эффективность до 20,5%; КПД образца с наночастицами 140 нм, которые рассеивают свет в зеленом диапазоне длин волн, вырос до 20,3%. Ученые считают этот результат хорошим, поскольку его удалось достичь в реальных системах, а не в идеальных лабораторных условиях, а значит, метод можно будет внедрять массово для широкого класса перовскитных солнечных элементов.

«Мы планируем и дальше улучшать полученные солнечные элементы и расширять их спектр применения — в частности, адаптировать их для рассеянных типов источников (например, комнатного освещения), которые тоже имеют свои спектральные особенности. Работа с наноантеннами также продолжается. Возможно, в будущем наши солнечные элементы можно будет использовать под водой и даже в космосе», — рассказала Александра Фурасова, первый автор статьи, научная сотрудница лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники физического факультета ИТМО.

Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда и программы «Приоритет–2030».