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Die Forscher entwickelten eine Paste aus Titandioxid und resonanten Silizium-Nanopartikeln, die als zusätzliche Schicht bei der Herstellung von Solarzellen dient. Die Mie-resonanten Partikel in der Paste ermöglichen es, die absorbierte Lichtmenge zu kontrollieren und die Erzeugung von Photostrom zu erhöhen, wodurch die Forscher den Wirkungsgrad von Solarzellen auf 21% steigern konnten. Wichtig ist, dass die Experimente an Halogenid(MAPbI3)-Perowskiten durchgeführt wurden, die auf dem Gebiet der Photovoltaik am weitesten verbreitet und am besten untersucht sind.
Verfügbare Materialien
Halogenid-Perowskite gehören zu den vielversprechendsten Materialien in der modernen Photovoltaik, haben jedoch einen wesentlichen Nachteil: Ihre photoaktive Schicht ist nur etwa 300-600 Nanometer groß. Solche dünnen Schichten können nicht das gesamte einfallende Licht absorbieren, aber gleichzeitig können sie nicht dicker gemacht werden – dann wird das Licht aktiver gestreut und verursacht Energieverluste.
Um die Effizienz von Perowskit-basierten Solarzellen zu steigern, kann eine von zwei Strategien angewendet werden: die Verbesserung der Ladungssammlung oder die Erhöhung der Lichtabsorption. Die erste Strategie erfordert die Verwendung komplexerer Perowskit-Zusammensetzungen und die Einführung zusätzlicher Substanzen (normalerweise seltene Metalle) sowie eine generelle Erhöhung der Komplexität der Struktur. Dies führt natürlich zu einer Erhöhung der Produktionskosten. Forscher der ITMO University gingen zusammen mit Kollegen der Tor Vergata University dieses Problem um, indem sie die Lichtkonzentration in Solarzellen erhöhten. Darüber hinaus verwendet ihre Lösung Silizium, eines der in der Natur am leichtesten zugänglichen Elemente.
„Wir können Silizium aus Sand gewinnen, daher gibt es dieses Material fast endlos. Es wäre eine seltsame Lösung gewesen, einfach Silizium in die Perowskitstruktur einzubringen, aber es könnte als Nanopartikel eingeführt werden. Solche Partikel dienen als Nanoantennen – sie fangen Licht ein und es schwingt in ihnen mit. Und je länger Licht in der photoaktiven Schicht verweilt, desto mehr davon wird vom Material absorbiert“, erklärt Professor an der ITMO School of Physics and Engineering.
Aleksandra Furasova und Sergey Makarov. Foto von Ekaterina Shevyreva, ITMO.NEWS
Genaue Berechnungen
Der Trick besteht darin, dass Silizium-Nanopartikel bestimmter Größe Mie-resonant sind. Dank dieses Effekts können die Nanopartikel verschiedene optische Phänomene verstärken, darunter Lichtabsorption und spontane Strahlung. Mit anderen Worten, sie funktionieren als Nanoantennen. Um diese Eigenschaft zu nutzen, mussten die Forscher jedoch ernsthafte theoretische Berechnungen durchführen und ein Modell erstellen, das die elektrophysikalischen und optischen Eigenschaften aller Schichten und Nanopartikel berücksichtigt, wenn sie externer Strahlung und Spannung ausgesetzt werden.
Die von den Forschern entwickelte Nanopartikelpaste. Foto von Ekaterina Shevyreva, ITMO.NEWS
Die zweite entscheidende und komplexe Aufgabe des Projekts bestand darin, den besten Standort für die entwickelte Paste zu identifizieren. Solarzellen werden im Spin-Coating-Verfahren hergestellt, indem nacheinander flüssige Schichten aufeinander aufgebracht werden. Dies macht es möglich, dünne Filme mit kontrollierbar variierender Dicke und Konzentration zu erzeugen. Darüber hinaus können Folien bei der Herstellung praktisch beliebige zusätzliche Materialien und Stoffe zugesetzt werden.
Herstellung einer Perowskitzelle mit der Nanopartikelpaste. Foto von Ekaterina Shevyreva, ITMO.NEWS
„Mit Flüssigmethoden können wir die Menge an trockenen Nanopartikeln in einer Lösung leicht portionieren. Wir mussten uns entscheiden, in welcher Schicht wir die Mie-resonanten Partikel platzieren sollten. Wenn sie in die Perowskitschicht eingebracht würden, würden sie deren photoaktiven Bereiche beschädigen. Würden sie in die obere Transportschicht eingebracht, wäre das Licht bis zum Erreichen der Nanopartikel durch alle darunter liegenden Schichten größtenteils absorbiert worden. Deshalb haben wir die Nanopartikel in der nächsten Schicht nach dem Perowskit platziert – so sind sie näher an der Lichtquelle und arbeiten effizienter als Antennen“, sagt Aleksandra Furasova, Erstautorin des Papers und wissenschaftliche Mitarbeiterin an der School of Physics des ITMO und Maschinenbau.
Herstellung einer Perowskitzelle mit der Nanopartikelpaste. Foto von Ekaterina Shevyreva, ITMO.NEWS
Eine einfache Technologie
Die entwickelte Paste ist einfach aufzutragen und kann mit Solarzellen jeder Zusammensetzung und Konfiguration verwendet werden. Gleichzeitig gibt es keine zusätzlichen Komplikationen im Produktionsprozess, während die Kosten der resultierenden Geräte nur um 0,3% steigen.
„Die Paste lässt sich gut mit anderen Verfahren auftragen, nicht nur mit Spin-Coating. Es ist ein universelles Rohprodukt, das in anderen Arten von Solarzellen sowie bei der Herstellung verschiedener Geräte verwendet werden kann – Fotodetektoren, Erntemaschinen und Optoelektronik. Auch diese Produktion ist umweltschonend, da wir keine seltenen Materialien verwenden. Als Ergebnis haben wir eine ziemliche technologische Lösung entwickelt und glauben, dass das Produkt universell einsetzbar und gefragt sein wird“, schließt Sergey Makarov.
