ابتكر الباحثون معجونًا جزيئيًا نانويًا لزيادة كفاءة خلايا البيروفسكايت الشمسية

المصدر: www.wevolver.com

طور الباحثون عجينة مصنوعة من ثاني أكسيد التيتانيوم وجسيمات السيليكون النانوية الرنانة التي تعمل كطبقة إضافية في عملية إنتاج الخلايا الشمسية. تتيح جزيئات Mie-resonant الموجودة في العجينة التحكم في كمية الضوء الممتصة وزيادة توليد التيار الضوئي ، مما سمح للباحثين بزيادة كفاءة الخلايا الشمسية بنسبة تصل إلى 21٪. الأهم من ذلك ، أجريت التجارب على الهاليد (MAPbI3) بيروفسكايت ، وهي الأكثر انتشارًا والأكثر دراسة في مجال الخلايا الكهروضوئية.

المواد المتاحة

تعد هاليد بيروفسكايت من أكثر المواد الواعدة في الخلايا الكهروضوئية المعاصرة ، إلا أن لها عيبًا مهمًا واحدًا: الطبقة النشطة ضوئيًا هي فقط حوالي 300-600 نانومتر. لا يمكن لمثل هذه الطبقات الرقيقة امتصاص كل الضوء الوارد ، ولكن في نفس الوقت لا يمكن جعلها أكثر سمكًا - عندئذٍ ، سيتم تشتيت الضوء بشكل أكثر نشاطًا مما يتسبب في فقد الطاقة.

يمكن استخدام إحدى الاستراتيجيتين لتعزيز كفاءة الخلايا الشمسية القائمة على البيروفسكايت: تحسين جمع الشحنات أو زيادة امتصاص الضوء. تتطلب الإستراتيجية الأولى استخدام تركيبات بيروفسكايت أكثر تعقيدًا وإدخال مواد إضافية (عادةً معادن نادرة) ، بالإضافة إلى زيادة تعقيد الهيكل بشكل عام. وبطبيعة الحال ، يؤدي هذا إلى زيادة نفقات الإنتاج. قام باحثون من جامعة ITMO مع زملائهم من جامعة Tor Vergata بالتغلب على هذه المشكلة عن طريق زيادة تركيز الضوء داخل الخلايا الشمسية. علاوة على ذلك ، يستخدم حلهم السيليكون ، وهو أحد أكثر العناصر التي يمكن الوصول إليها في الطبيعة.

"يمكننا الحصول على السيليكون من الرمل ، لذلك هناك ما يقرب من إمدادات لا نهاية لها من هذه المادة. قد يكون حلًا غريبًا إدخال السيليكون في بنية البيروفسكايت ، ولكن يمكن إدخاله كجسيم نانوي. تعمل هذه الجسيمات بمثابة نانو - فهي تلتقط الضوء ويتردد صداها بداخلها. وكلما طال بقاء الضوء في الطبقة النشطة ضوئيًا ، تمتص المادة المزيد منه "، يشرح الأستاذ في كلية الفيزياء والهندسة في ITMO.

الحسابات الدقيقة

الحيلة هي أن جسيمات السليكون النانوية ذات الأحجام المحددة هي رنانة صغيرة. بفضل هذا التأثير ، يمكن للجسيمات النانوية تضخيم الظواهر البصرية المختلفة ، بما في ذلك امتصاص الضوء والإشعاع التلقائي. بعبارة أخرى ، هم يعملون كنانو نانو. ومع ذلك ، من أجل الاستفادة من هذه الخاصية ، كان على الباحثين إجراء حسابات نظرية جادة وبناء نموذج يراعي الخصائص الكهرو فيزيائية والبصرية لجميع الطبقات والجسيمات النانوية عندما تتعرض للإشعاع والجهد الخارجي.

كانت المهمة الثانية الحاسمة والمعقدة للمشروع هي تحديد أفضل مكان للعجينة المطورة. يتم إنتاج الخلايا الشمسية باستخدام طريقة الطلاء الدوراني ، عندما يتم تطبيق الطبقات السائلة بالتتابع على بعضها البعض. هذا يجعل من الممكن إنشاء أغشية رقيقة ذات سُمك وتركيز متغيرين يمكن التحكم فيهما. علاوة على ذلك ، يمكن عملياً إضافة أي مواد ومواد إضافية إلى الأفلام أثناء هذا الإنتاج.

"باستخدام الطرق السائلة ، يمكننا بسهولة تقسيم كمية الجسيمات النانوية الجافة في المحلول. ما كان علينا أن نقرره هو في أي طبقة يجب أن نضع جسيمات طنين مي. إذا تم وضع طبقة البيروفسكايت ، فإنها ستضر بمناطقها النشطة ضوئيًا. إذا تم وضعها في طبقة النقل العليا ، فسيتم امتصاص الضوء في الغالب بحلول الوقت الذي وصل فيه إلى الجسيمات النانوية عبر جميع الطبقات الموجودة أسفلها. لهذا السبب وضعنا الجسيمات النانوية في الطبقة التالية بعد البيروفسكايت - وبهذه الطريقة تكون أقرب إلى مصدر الضوء وتعمل كهوائيات أكثر كفاءة "، كما تقول ألكساندرا فوراسوفا ، المؤلف الأول للورقة البحثية وأحد الباحثين المبتدئين في كلية ITMO للفيزياء و هندسة.

تقنية بسيطة

العجينة المطورة سهلة التطبيق ويمكن استخدامها مع الخلايا الشمسية من أي تكوين وتكوين. في الوقت نفسه ، لا توجد تعقيدات إضافية لعملية الإنتاج ، بينما تزداد تكلفة الأجهزة الناتجة بنسبة 0.3٪ فقط.

"يمكن تطبيق العجينة بسهولة بطرق أخرى ، وليس فقط مع طلاء بالدوران. إنه منتج عالمي خام يمكن استخدامه في أنواع أخرى من الخلايا الشمسية ، وكذلك في إنتاج العديد من الأجهزة - أجهزة الكشف الضوئية ، والحصادات ، والإلكترونيات الضوئية. يعتبر هذا الإنتاج أيضًا صديقًا للبيئة ، حيث لا نستخدم أي مواد نادرة. نتيجة لذلك ، طورنا حلاً تقنيًا تمامًا ونعتقد أن المنتج سيكون قابلاً للتطبيق عالميًا ومطلوبًا "، يختتم سيرجي ماكاروف.