Ученые Нового физтеха ИТМО создали пасту из наночастиц кремния и диоксида титана, чтобы повысить генерацию выработки фототока в перовскитных солнечных элементах и увеличить эффективность их работы до максимума.

Результат работы исследователей опубликован в престижном международном журнале Nano Energy.

Эффективность солнечных элементов из галогенидных перовскитов уже превышает 25% при их низкой стоимости, что делает их одними из наиболее перспективных в современной фотовольтаике. Для улучшения эффективности обычно используют две стратегии: улучшение сбора зарядов или увеличение поглощения света. Однако первый способ подразумевает внедрение дополнительных веществ в структуру перовскита или включение 2-d структур, что значительно удорожает стоимость получения устройств.

Исследователи Университета ИТМО решили обойти эту проблему — они использовали один из самых доступных в природе элементов — кремний — и при помощи методов коллоидной химии создали из наночастиц на его основе пасту для контроля распределения света внутри перовскитного солнечного элемента. Это позволило повысить генерацию фототока в структуре и увеличить эффективность солнечных элементов на основе самого простого состава перовскита до максимума.

«Это буквально модернизованная паста, которая необходима перовскитным элементам для селективного сбора зарядов, в которую просто добавляются резонансные наночастицы в необходимом количестве, после чего она наносится во время производства солнечных элементов. При этом сам технологический процесс не усложняется, а стоимость кремниевых частиц невысока, — объясняет первый автор исследования, младший научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Александра Фурасова. — Также мы изучили влияние расстояния между наночастицами в элементах на направленность рассеивания света ими и меняли концентрацию их в пасте, чтобы максимально сконцентрировать весь входящий свет в перовскитной области. От этого напрямую зависит эффективность конверсии света в электричество и все основные фотовольтаические параметры. С помощью мультифизических расчетов мы нашли оптимальную концентрацию наночастиц и приготовили идеальную пасту для создания электронно-транспортного слоя, где мы достигли практически максимальной эффективности для данного типа солнечных элементов».

По словам исследователей, важно было оптимизировать положение наночастиц кремния внутри состава. Специально для этого ученые построили теоретическую модель, которая учитывала электрофизические и оптические свойства всех слоёв и наночастиц, позволяющую рассчитать генерацию и движение зарядов под действием внешнего облучения и напряжения. Это позволило определить, как размер наночастиц влияет на оптические и электрофизические свойства конструкции.

Предложенный учеными метод прост, доступен, универсален для использования и не требует значительного увеличения затрат при производстве солнечных элементов.

«В этой работе мы используем метод spin coating, то есть мы получаем однородные тонкие пленки при осаждении жидкостей на вращающихся плоских подложках, но можно использовать и другие способы для масштабирования технологии. Полученная паста — универсальный продукт, который может быть применен и при создании перовскитных солнечных батарей иных типов, а также для производства фотодетекторов и других оптоэлектронных устройств на основе перовскитов. Мы верим, что это будет востребованное решение», — подчеркивает профессор Нового физтеха ИТМО Сергей Макаров.

Исследование было проведено в сотрудничестве с центром гибридной и органической солнечной энергии (Centre for Hybrid and Organic Solar Energy) при римском университете Тор Вергата и поддержано грантом РНФ (19–19–00683).