Кремниевые наночастицы заменили драгметаллы в солнечных панелях и оказались эффективнее

Наука и образование

Кремниевые наночастицы заменили драгметаллы в солнечных панелях и оказались эффективнее

Ученые из ИТМО совместно с коллегами из Италии использовали наночастицы для повышения КПД солнечных батарей на перовскитной основе. У них получилось заметно поднять КПД, при этом использованные ими наночастицы заметно дешевле и эффективнее использовавшихся ранее аналогов из золота или серебра. Соответствующая статья опубликована в Advanced Optical Materials.

Перовскитными солнечными батареями называют, как правило, фотоэлементы из CH3NH3PbI3 (йодид метиламмония и свинца) с псевдокубической кристаллической структурой, характерной для минерала перовскита. Они проще в получении, чем доминирующие на рынке кремниевые, но пока имеют более низкий КПД. Стандартная перовскитная батарея, как отмечают авторы работы, в норме показывает КПД не выше 17,7 процента. Это ограничение пробовали обойти, добавляя в перовскитный слой наночастицы золота и серебра, которые повышали эффективность преобразования энергии падающих в ток фотонов за счет того, что рассеивали эти фотоны в стороны. Это не позволяло им быстро отразиться от фотоэлемента. Однако общий рост КПД с использованием наночастиц из драгметаллов не превышал 0,5 процента, поскольку те не только рассеивали, но и отражали часть света.

Исследователи задумались о замене рассеивающих наночастиц на другие — сферические, из темного кремния. Чтобы они лучше всего рассеивали падающие волны видимого солнечного света, диаметр наночастиц выбрали около 150 нанометров. Эта величина примерно втрое меньше длины волны зеленого света (он доминирует в солнечном излучении), а частицы, по размерам втрое уступающие электромагнитной волне, лучше всего могут ее рассеивать (если частица будет больше, высок шанс того, что она поглотит волну). Чтобы сделать частицы нужного размера, авторы использовали испарение кремния лазером с типовой кремниевой подложки, применяемой в производстве микроэлектроники. В рамках эксперимента она была предварительно покрыта слоем толуола.

Когда наночастицы были нанесены под слой перовскитов, между ним и подложкой фотоэлемента (подложка из диоксида титана находится между слоем перовскитов и токосъемным контактом), они подняли его КПД с 17,7 до 18,8 процента.

На первый взгляд, это немного, но лучшие образцы перовскитов на сегодня имеют КПД в 22 процента, а лучшие серийные кремниевые солнечные батареи — 23−24 процента, так что рост КПД более чем на процент может иметь критическое значение для успеха того или иного типа фотоэлементов на рынке. Авторы статьи намерены использовать свои наночастицы для поднятия эффективности самых лучших перовскитных батарей, после чего им будет проще конкурировать с более дорогими кремниевыми.

В то же время следует отметить, что на сегодня перовскитные фотоэлементы не вполне подходят для масштабной эксплуатации не только по причинам умеренного КПД. Если ресурс типовых кремниевых фотоэлементов равен как минимум 100 тысячам часов работы до потери 20 процентов мощности, то перовскитные батареи пока имеют ресурс на порядок ниже этого. Впрочем, целый ряд других научных групп уже работают и над увеличением ресурса таких систем, хотя до решения проблемы все еще сравнительно далеко.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *