חוקרים יוצרים משחת חלקיקים כדי למקסם את יעילות התא הסולארי פרובסקיט

מקור: www.wevolver.com

החוקרים פיתחו משחה העשויה מטיטניום דו-חמצני וננו-חלקיקי סיליקון מהדהדים המשמשים שכבה נוספת בתהליך ייצור התאים הסולאריים. חלקיקי Mie-מהדהד במשחה מאפשרים לשלוט בכמות האור נספג ולהגדיל את הדור של photocurrent, אשר אפשר לחוקרים להביא את היעילות של תאים סולאריים עד 21%. חשוב לציין, הניסויים נערכו על חליד (MAPbI3) פרובסקיטים, שהם הנפוצים ביותר ונחקרים היטב בתחום הפוטו-וולטאים.

חומרים זמינים

חלייד פרובסקיטים הם חלק מהחומרים המבטיחים ביותר בפוטו-וולטאי עכשווי, אולם יש להם חיסרון משמעותי אחד: השכבה הפוטואקטיבית שלהם היא רק כ -300-600 ננומטר. שכבות דקות כאלה לא יכולות לספוג את כל האור הנכנס, אבל באותו זמן הם לא יכולים להיות עבה יותר - אז, האור יפוזר באופן פעיל יותר גרימת אובדן אנרגיה.

אחת משתי אסטרטגיות ניתן להשתמש כדי להגביר את היעילות של תאים סולאריים מבוססי פרובסקיט: שיפור איסוף המטען או הגדלת ספיגת האור. האסטרטגיה הראשונה דורשת שימוש בקומפוזיציות פרובסקיט מורכבות יותר והכנסת חומרים נוספים (בדרך כלל, מתכות נדירות), כמו גם בדרך כלל הגדלת המורכבות של המבנה. באופן טבעי, זה מוביל לגידול בהוצאות הייצור. חוקרים מאוניברסיטת ITMO יחד עם עמיתים מאוניברסיטת טור ורגטה לעקוף את הבעיה על ידי הגדלת ריכוז האור בתוך תאים סולאריים. יתר על כן, הפתרון שלהם משתמש בסיליקון, אחד האלמנטים הנגישים ביותר בטבע.

"אנחנו יכולים להשיג סיליקון מחול, כך שיש כמעט אספקה אינסופית של החומר הזה. זה היה יכול להיות פתרון מוזר פשוט להכניס סיליקון לתוך המבנה perovskite, אבל זה יכול להיות הציג כמו חלקיק. חלקיקים כאלה משמשים ננואנטנה – הם תופסים אור וזה מהדהד בתוכם. וככל שהאור נשאר בשכבה הפוטואקטיבית, כך הוא נספג יותר מהחומר", מסביר, פרופסור בבית הספר לפיזיקה והנדסה של ITMO.

חישובים מדויקים

החוכמה היא שננו-חלקיקי סיליקון בגדלים מסוימים הם מהדהדים. הודות לאפקט זה, הננו-חלקיקים יכולים להגביר תופעות אופטיות שונות, כולל ספיגת אור וקרינה ספונטנית. במילים אחרות, הם עובדים כננואנטנה. עם זאת, על מנת לעשות שימוש בנכס זה, החוקרים היו צריכים לבצע חישובים תיאורטיים רציניים ולבנות מודל שהיווה תכונות אלקטרופיזיות ואופטיות של כל השכבות וננו-חלקיקים כאשר הם נתונים לקרינה ומתח חיצוניים.

המשימה הקריטית והמורכבת השנייה של הפרויקט הייתה זיהוי המיקום הטוב ביותר עבור הדבק המפותח. תאים סולאריים מיוצרים בשיטת ציפוי ספין, כאשר שכבות נוזליות מוחלות ברצף זו על זו. זה מאפשר ליצור סרטים דקים של עובי וריכוז שונים לשליטה. יתר על כן, כמעט כל חומרים וחומרים נוספים ניתן להוסיף לסרטים במהלך הפקה כזו.

"בשיטות נוזליות אנחנו יכולים בקלות לחלק את כמות הננו-חלקיקים היבשים בתמיסה. מה שהיינו צריכים להחליט היה באיזו שכבה עלינו למקם את החלקיקים המהדהדים של מי. אם ישימו את שכבת פרובסקיט, הם יפגעו באזורים הפוטואקטיביים שלה. אם הם היו לשים בשכבת התובלה העליונה, האור היה נספג בעיקר עד שהוא הגיע חלקיקים דרך כל השכבות מתחתיהם. לכן הנחנו את הננו-חלקיקים בשכבה הבאה לאחר הפרובסקיט – כך הם קרובים יותר למקור האור ועובדים כאנטנות בצורה יעילה יותר", אומרת אלכסנדרה פורסובה, המחברת הראשונה של המאמר ועמיתת מחקר זוטרה בבית הספר לפיזיקה והנדסה של ITMO.

טכנולוגיה פשוטה

הדבק המפותח הוא פשוט ליישם וניתן להשתמש בו עם תאים סולאריים של כל הרכב ותצורה. יחד עם זאת, אין סיבוכים נוספים לתהליך הייצור, בעוד העלות של המכשירים המתקבלים עולה רק 0.3%.

"הדבק ניתן ליישם בקלות בשיטות אחרות, לא רק עם ציפוי ספין. זהו מוצר אוניברסלי גולמי שניתן להשתמש בו בסוגים אחרים של תאים סולאריים, כמו גם בייצור של מכשירים שונים – פוטו-דקטורים, קוצרים ואופטואלקטרוניקה. ייצור כזה הוא גם ידידותי לסביבה, כפי שאנו לא משתמשים בכל חומרים נדירים. כתוצאה מכך, פיתחנו פתרון טכנולוגי לא קטן ואנו מאמינים שהמוצר יהיה ישים ומבוקשות באופן אוניברסלי", מסכם סרגיי מקרוב.