Peneliti Membuat Pasta Nanopartikel Untuk Memaksimalkan Efisiensi Sel Surya Perovskit

Sumber: www.wevolver.com

Para peneliti mengembangkan pasta yang terbuat dari titanium dioksida dan nanopartikel silikon resonansi yang berfungsi sebagai lapisan tambahan dalam proses produksi sel surya. Partikel Mie-resonan dalam pasta memungkinkan untuk mengontrol jumlah cahaya yang diserap dan meningkatkan generasi fotocurrent, yang memungkinkan para peneliti untuk membawa efisiensi sel surya hingga 21%. Yang penting, percobaan dilakukan pada halida (MAPbI3) perovskit, yang merupakan yang paling luas dan dipelajari dengan baik di bidang fotovoltaik.

Bahan yang tersedia

Halide perovskites adalah beberapa bahan yang paling menjanjikan dalam fotovoltaik kontemporer, namun mereka memiliki satu kelemahan yang signifikan: lapisan fotoaktif mereka hanya sekitar 300-600 nanometer. Lapisan tipis seperti itu tidak dapat menyerap semua cahaya yang masuk, tetapi pada saat yang sama mereka tidak dapat dibuat lebih tebal - kemudian, cahaya akan tersebar lebih aktif menyebabkan kerugian energi.

Salah satu dari dua strategi dapat digunakan untuk meningkatkan efisiensi sel surya berbasis perovskit: meningkatkan pengumpulan muatan atau meningkatkan penyerapan cahaya. Strategi pertama membutuhkan penggunaan komposisi perovskit yang lebih kompleks dan memperkenalkan zat tambahan (biasanya, logam langka), serta umumnya meningkatkan kompleksitas struktur. Tentu saja, ini mengarah pada peningkatan biaya produksi. Para peneliti dari ITMO University bersama dengan rekan-rekan dari Tor Vergata University mengatasi masalah ini dengan meningkatkan konsentrasi cahaya di dalam sel surya. Selain itu, solusi mereka menggunakan silikon, salah satu elemen yang paling mudah diakses di alam.

"Kita bisa mendapatkan silikon dari pasir, jadi hampir tidak ada pasokan bahan ini. Ini akan menjadi solusi aneh untuk hanya memperkenalkan silikon ke dalam struktur perovskit, tetapi bisa diperkenalkan sebagai nanopartikel. Partikel-partikel seperti itu berfungsi sebagai nanoantennae – mereka menangkap cahaya dan bergema di dalamnya. Dan semakin lama cahaya tetap berada di lapisan fotoaktif, semakin banyak yang diserap oleh material," jelas, profesor di Itmo School of Physics and Engineering.

Perhitungan yang tepat

Caranya adalah bahwa nanopartikel silikon dengan ukuran tertentu adalah Mie-resonant. Berkat efek ini, nanopartikel dapat memperkuat berbagai fenomena optik, termasuk penyerapan cahaya dan radiasi spontan. Dengan kata lain, mereka bekerja sebagai nanoantennae. Namun, untuk memanfaatkan properti ini, para peneliti harus melakukan perhitungan teoritis yang serius dan membangun model yang menyumbang sifat elektrofisik dan optik dari semua lapisan dan nanopartikel ketika mereka mengalami radiasi dan tegangan eksternal.

Tugas penting dan kompleks kedua dari proyek ini adalah mengidentifikasi lokasi terbaik untuk pasta yang dikembangkan. Sel surya diproduksi menggunakan metode spin coating, ketika lapisan cair secara berurutan diterapkan satu sama lain. Hal ini memungkinkan untuk membuat film tipis dengan ketebalan dan konsentrasi yang bervariasi. Selain itu, hampir semua bahan dan zat tambahan dapat ditambahkan ke film selama produksi tersebut.

"Dengan metode cair kita dapat dengan mudah membagi jumlah nanopartikel kering dalam larutan. Apa yang harus kita putuskan adalah di lapisan mana kita harus menempatkan partikel Mie-resonan. Jika dimasukkan ke dalam lapisan perovskit, mereka akan merusak daerah fotoaktifnya. Jika mereka dimasukkan ke dalam lapisan transportasi atas, cahaya sebagian besar akan diserap pada saat mencapai nanopartikel melalui semua lapisan di bawah mereka. Itu sebabnya kami menempatkan nanopartikel di lapisan berikutnya setelah perovskit - dengan cara ini mereka lebih dekat ke sumber cahaya dan bekerja sebagai antena lebih efisien, "kataAleksandra Furasova, penulis pertama makalah dan rekan peneliti junior di Itmo School of Physics and Engineering.

Teknologi sederhana

Pasta yang dikembangkan mudah diterapkan dan dapat digunakan dengan sel surya dari komposisi dan konfigurasi apa pun. Pada saat yang sama, tidak ada komplikasi tambahan pada proses produksi, sementara biaya perangkat yang dihasilkan meningkat hanya 0,3%.

"Pasta dapat dengan mudah diterapkan dengan metode lain, tidak hanya dengan lapisan spin. Ini adalah produk universal mentah yang dapat digunakan dalam jenis sel surya lainnya, serta dalam produksi berbagai perangkat - fotodetectors, pemanen, dan optoelektronika. Produksi semacam itu juga ramah lingkungan, karena kami tidak menggunakan bahan langka. Akibatnya, kami telah mengembangkan solusi teknologi yang cukup dan kami percaya produk ini akan berlaku secara universal dan dicari," kata Sergey Makarov.