Các nhà nghiên cứu tạo ra chất dán hạt nano để tối đa hóa hiệu quả sử dụng pin mặt trời Perovskite

Nguồn: www.wevolver.com

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại bột nhão làm từ titanium dioxide và các hạt nano silicon cộng hưởng, đóng vai trò như một lớp bổ sung trong quá trình sản xuất pin mặt trời. Các hạt cộng hưởng Mie trong miếng dán giúp kiểm soát lượng ánh sáng được hấp thụ và tăng sự tạo ra dòng quang, điều này cho phép các nhà nghiên cứu mang lại hiệu suất của pin mặt trời lên đến 21%. Điều quan trọng là, các thí nghiệm được tiến hành trên perovskite halogenua (MAPbI3), loại perovskite phổ biến nhất và được nghiên cứu kỹ lưỡng trong lĩnh vực quang điện.

Vật liệu có sẵn

Halide perovskite là một số vật liệu hứa hẹn nhất trong quang điện đương đại, tuy nhiên chúng có một nhược điểm đáng kể: lớp quang hoạt của chúng chỉ khoảng 300-600 nanomet. Những lớp mỏng như vậy không thể hấp thụ tất cả ánh sáng tới, nhưng đồng thời chúng cũng không thể dày hơn - khi đó, ánh sáng sẽ bị phân tán tích cực hơn gây ra tổn thất năng lượng.

Một trong hai chiến lược có thể được sử dụng để tăng hiệu quả của pin mặt trời dựa trên perovskite: cải thiện việc thu điện tích hoặc tăng khả năng hấp thụ ánh sáng. Chiến lược đầu tiên yêu cầu sử dụng các chế phẩm perovskite phức tạp hơn và đưa vào các chất bổ sung (thường là kim loại hiếm), cũng như nói chung là tăng độ phức tạp của cấu trúc. Đương nhiên, điều này dẫn đến tăng chi phí sản xuất. Các nhà nghiên cứu từ Đại học ITMO cùng với các đồng nghiệp từ Đại học Tor Vergata đã giải quyết vấn đề này bằng cách tăng nồng độ ánh sáng bên trong pin mặt trời. Hơn nữa, giải pháp của họ sử dụng silicon, một trong những nguyên tố dễ tiếp cận nhất trong tự nhiên.

“Chúng tôi có thể lấy silicon từ cát, vì vậy nguồn cung cấp vật liệu này gần như vô tận. Sẽ là một giải pháp kỳ lạ nếu chỉ đơn giản đưa silicon vào cấu trúc perovskite, nhưng nó có thể được đưa vào như một hạt nano. Những hạt như vậy đóng vai trò như nanoantennae - chúng bắt ánh sáng và nó cộng hưởng bên trong chúng. Và ánh sáng ở trong lớp quang hoạt càng lâu thì vật liệu càng bị hấp thụ nhiều hơn, ”giáo sư tại Trường Vật lý và Kỹ thuật của ITMO giải thích.

Tính toán chính xác

Bí quyết là các hạt nano silicon có kích thước cụ thể là cộng hưởng Mie. Nhờ hiệu ứng này, các hạt nano có thể khuếch đại các hiện tượng quang học khác nhau, bao gồm cả sự hấp thụ ánh sáng và bức xạ tự phát. Nói cách khác, chúng hoạt động như một nanoantennae. Tuy nhiên, để sử dụng đặc tính này, các nhà nghiên cứu đã phải thực hiện các tính toán lý thuyết nghiêm túc và xây dựng một mô hình tính đến các đặc tính điện vật lý và quang học của tất cả các lớp và hạt nano khi chúng chịu bức xạ và điện áp bên ngoài.

Nhiệm vụ quan trọng và phức tạp thứ hai của dự án là xác định vị trí tốt nhất để dán được phát triển. Pin mặt trời được sản xuất bằng phương pháp phủ spin, khi các lớp chất lỏng được áp dụng tuần tự lên nhau. Điều này làm cho nó có thể tạo ra các màng mỏng có độ dày và nồng độ khác nhau có thể kiểm soát được. Hơn nữa, trên thực tế, bất kỳ vật liệu và chất bổ sung nào cũng có thể được thêm vào phim trong quá trình sản xuất như vậy.

“Với phương pháp chất lỏng, chúng ta có thể dễ dàng chia nhỏ lượng hạt nano khô trong dung dịch. Điều chúng tôi phải quyết định là chúng tôi nên đặt các hạt cộng hưởng Mie ở lớp nào. Nếu được đặt trong lớp perovskite, chúng sẽ làm hỏng các vùng hoạt tính của nó. Nếu chúng được đặt ở lớp vận chuyển phía trên, ánh sáng hầu như đã bị hấp thụ vào thời điểm nó đến các hạt nano xuyên qua tất cả các lớp bên dưới chúng. Đó là lý do tại sao chúng tôi đặt các hạt nano ở lớp tiếp theo sau perovskite - theo cách này, chúng gần nguồn sáng hơn và hoạt động như một chiếc ăng-ten hiệu quả hơn, ”Aleksandra Furasova, tác giả đầu tiên của bài báo và là cộng sự nghiên cứu cơ sở tại Trường Vật lý của ITMO và Kỹ thuật.

Một công nghệ đơn giản

Chất dán được phát triển rất đơn giản để áp dụng và có thể được sử dụng với các tế bào năng lượng mặt trời ở bất kỳ thành phần và cấu hình nào. Đồng thời, không có thêm các biến chứng đối với quá trình sản xuất, trong khi chi phí của các thiết bị kết quả chỉ tăng 0,3%.

“Việc dán có thể dễ dàng áp dụng với các phương pháp khác, không chỉ với lớp phủ quay. Đó là một sản phẩm phổ thông thô có thể được sử dụng trong các loại pin mặt trời khác, cũng như trong sản xuất các thiết bị khác nhau - bộ tách sóng quang, máy thu hoạch và quang điện tử. Sản xuất như vậy cũng thân thiện với môi trường, vì chúng tôi không sử dụng bất kỳ vật liệu quý hiếm nào. Kết quả là, chúng tôi đã phát triển một giải pháp công nghệ hoàn hảo và chúng tôi tin rằng sản phẩm sẽ được áp dụng rộng rãi và được nhiều người săn đón, ”Sergey Makarov kết luận.