Fuente: www.wevolver.com
Los investigadores desarrollaron una pasta hecha de dióxido de titanio y nanopartículas de silicio resonante que sirve como capa adicional en el proceso de producción de células solares. Las partículas resonantes de Mie en la pasta permiten controlar la cantidad de luz absorbida y aumentar la generación de fotocorriente, lo que permitió a los investigadores elevar la eficiencia de las células solares hasta un 21%. Es importante destacar que los experimentos se realizaron con perovskitas de haluro (MAPbI3), que son las más difundidas y mejor estudiadas en el campo de la energía fotovoltaica.
Materiales disponibles
Las perovskitas de haluro son algunos de los materiales más prometedores en la energía fotovoltaica contemporánea, sin embargo, tienen un inconveniente importante: su capa fotoactiva es de solo unos 300-600 nanómetros. Estas capas delgadas no pueden absorber toda la luz entrante, pero al mismo tiempo no pueden hacerse más gruesas; entonces, la luz se dispersará de manera más activa y provocará pérdidas de energía.
Se puede utilizar una de dos estrategias para aumentar la eficiencia de las células solares basadas en perovskita: mejorar la recolección de carga o aumentar la absorción de luz. La primera estrategia requiere usar composiciones de perovskita más complejas e introducir sustancias adicionales (generalmente, metales raros), además de aumentar en general la complejidad de la estructura. Naturalmente, esto conduce a un aumento de los gastos de producción. Investigadores de la Universidad ITMO junto con colegas de la Universidad Tor Vergata solucionaron este problema aumentando la concentración de luz dentro de las células solares. Además, su solución utiliza silicio, uno de los elementos más accesibles de la naturaleza.
“Podemos obtener silicio de la arena, por lo que hay un suministro casi infinito de este material. Hubiera sido una solución extraña simplemente introducir silicio en la estructura de la perovskita, pero podría introducirse como una nanopartícula. Estas partículas sirven como nanoantenas: captan la luz y resuena en su interior. Y cuanto más tiempo permanece la luz en la capa fotoactiva, más es absorbida por el material ”, explica el profesor de la Escuela de Física e Ingeniería de ITMO.
Aleksandra Furasova y Sergey Makarov. Foto de Ekaterina Shevyreva, ITMO.NEWS
Cálculos exactos
El truco es que las nanopartículas de silicio de tamaños específicos resuenan con Mie. Gracias a este efecto, las nanopartículas pueden amplificar diversos fenómenos ópticos, incluida la absorción de luz y la radiación espontánea. En otras palabras, funcionan como nanoantenas. Sin embargo, para hacer uso de esta propiedad, los investigadores tuvieron que realizar cálculos teóricos serios y construir un modelo que tuviera en cuenta las propiedades electrofísicas y ópticas de todas las capas y nanopartículas cuando están sujetas a radiación y voltaje externos.
La pasta de nanopartículas desarrollada por los investigadores. Foto de Ekaterina Shevyreva, ITMO.NEWS
La segunda tarea crucial y compleja del proyecto fue identificar la mejor ubicación para la pasta desarrollada. Las células solares se producen utilizando el método de recubrimiento por rotación, cuando las capas líquidas se aplican secuencialmente entre sí. Esto hace posible crear películas delgadas de espesores y concentraciones que varían de manera controlable. Además, prácticamente cualquier material y sustancia adicional se puede añadir a las películas durante dicha producción.
Producción de una célula de perovskita con la pasta de nanopartículas. Foto de Ekaterina Shevyreva, ITMO.NEWS
“Con los métodos líquidos podemos dividir fácilmente la cantidad de nanopartículas secas en una solución. Lo que teníamos que decidir era en qué capa colocar las partículas resonantes de Mie. Si se colocan en la capa de perovskita, dañarían sus regiones fotoactivas. Si se pusieran en la capa de transporte superior, la luz se habría absorbido en su mayor parte cuando llegó a las nanopartículas a través de todas las capas debajo de ellas. Es por eso que colocamos las nanopartículas en la siguiente capa después de la perovskita, de esta manera están más cerca de la fuente de luz y funcionan como antenas de manera más eficiente ”, dice Aleksandra Furasova, primera autora del artículo e investigadora asociada junior en la Escuela de Física de ITMO y Ingenieria.
Producción de una célula de perovskita con la pasta de nanopartículas. Foto de Ekaterina Shevyreva, ITMO.NEWS
Una tecnologia simple
La pasta desarrollada es fácil de aplicar y se puede utilizar con células solares de cualquier composición y configuración. Al mismo tiempo, no hay complicaciones adicionales para el proceso de producción, mientras que el costo de los dispositivos resultantes aumenta solo en un 0.3%.
“La pasta se puede aplicar fácilmente con otros métodos, no solo con recubrimiento por centrifugación. Es un producto universal en bruto que se puede utilizar en otros tipos de células solares, así como en la producción de varios dispositivos: fotodetectores, recolectores y optoelectrónica. Esta producción también es respetuosa con el medio ambiente, ya que no utilizamos materiales raros. Como resultado, hemos desarrollado una solución bastante tecnológica y creemos que el producto será universalmente aplicable y codiciado ”, concluye Sergey Makarov.
