研究者は、ペロブスカイト太陽電池の効率を最大化するためにナノ粒子ペーストを作成します。

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研究チームは、太陽電池の製造過程で追加の層として機能する二酸化チタンと共鳴シリコンナノ粒子から作られたペーストを開発しました。ペースト内のMie共振粒子は、吸収される光の量を制御し、光電流の生成を増加させることが可能になり、研究者は太陽電池の効率を最大21%まで引き上げることができました。重要なことに、実験は、太陽光発電の分野で最も広く、よく研究されているハロゲン化物(MAPbI3)ペロブスカイトに対して行われました。

利用可能な材料

ハロゲン化物ペロブスカイトは、現代の太陽光発電における最も有望な材料の一部ですが、光活性層は約300〜600ナノメートルに過ぎません。このような薄い層はすべての入射光を吸収することはできませんが、同時に、それらは厚くすることはできません - その後、光はより積極的に分散され、エネルギー損失を引き起こします。

ペロブスカイトベースの太陽電池の効率を高めるために使用できる戦略の2つのうちの1つ:電荷収集を改善するか、光吸収を増加させる。最初の戦略では、より複雑なペロブスカイト組成物を使用し、追加の物質(通常、レアメタル)を導入し、一般的に構造の複雑さを増やす必要があります。当然、生産費の増加につながります。ITMO大学の研究者は、Tor Vergata大学の同僚と共に、太陽電池内部の光の濃度を高めることによってこの問題を回避しました。さらに、そのソリューションは、シリコン、自然界で最もアクセス可能な要素の一つを使用しています。

「砂からシリコンを得ることができるので、この材料はほとんど無限に供給されています。ペロブスカイト構造にシリコンを導入するだけでは奇妙な解決策でしたが、ナノ粒子として導入される可能性があります。このような粒子はナノアンテナとして機能し、光をキャッチし、内部に共鳴します。光が光の層に長く留まるほど、その多くは材料に吸収されます」と、ITMOの物理学工学部の教授は説明します。

正確な計算

トリックは、特定のサイズのシリコンナノ粒子がMie共振であるということです。この効果により、ナノ粒子は光吸収や自発放射を含む様々な光学現象を増幅することができます。言い換えれば、彼らはナノアンテナとして機能します。しかし、この性質を利用するためには、研究者は深刻な理論的計算を行い、外部放射線や電圧を受けるとき、すべての層とナノ粒子の電気的および光学的特性を考慮したモデルを構築する必要がありました。

プロジェクトの2番目の重要かつ複雑なタスクは、開発されたペーストに最適な場所を特定することでした。太陽電池は、液体層が互いに順次に塗布される場合に、スピンコーティング法を使用して製造される。これにより、制御可能な厚さと濃度の薄膜を作成することができます。さらに、実質的に任意の追加の材料および物質は、そのような生産中にフィルムに追加することができます。

「液体の方法を使って、溶液中の乾燥ナノ粒子の量を簡単に分けることができます。私たちが決めなければならなかったのは、三重共振粒子をどの層に置くべきかでした。ペロブスカイト層に入れると、光活性領域が損傷します。もし彼らが上層輸送層に入れれば、光は主に下のすべての層を通ってナノ粒子に到達するまでに吸収されていたであろう。そのため、ペロブスカイトの後の次の層にナノ粒子を配置しました - このように光源に近く、より効率的にアンテナとして働きます」と、論文の最初の著者であり、ITMOの物理学工学部のジュニア研究員であるアレクサンドラ・フラソワは言います。

シンプルな技術

開発されたペーストは適用が簡単で、あらゆる組成および構成の太陽電池で使用することができる。同時に、生産プロセスにさらなる複雑さはありませんが、結果として得られるデバイスのコストはわずか0.3%増加します。

「ペーストは、スピンコーティングだけでなく、他の方法で簡単に塗布できます。これは、他のタイプの太陽電池、および光検出器、収穫機、光エレクトロニクスなどの様々なデバイスの製造に使用できる生の普遍的な製品です。希少な素材を使用しないため、このような生産も環境にやさしいものです。その結果、我々は非常に技術的な解決策を開発し、我々は製品が普遍的に適用され、求められると信じています」と、セルゲイ・マカロフは結論づけます。