Красноярские ученые модифицировали перовскитный солнечный элемент с помощью фотонного кристалла и золотой нанорешетки. Это позволило повысить эффективность устройства на 35%. Результаты исследования опубликованы в журнале Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки.
Процесс измерения оптических свойств устройства. Фото Анастасии Тамаровской / ФИЦ КНЦ СО РАН
Перовскитные солнечные элементы представляют собой одну из самых перспективных и быстроразвивающихся технологий в области солнечной энергетики. Их название происходит от минерала перовскита (титанат кальция), который был впервые открыт в 1839 году на Урале. В основе современных перовскитных солнечных элементов все чаще используют металлоорганические соединения, основанные на йодиде метиламмония и йодиде свинца. Основным преимуществом перовскитных солнечных элементов является их высокая эффективность при сравнительно низкой стоимости производства. Эффективность этих элементов давно превысила 25%, что делает их конкурентоспособными с традиционными кремниевыми солнечными панелями. Кроме того, процесс их изготовления может быть более простым и дешевым. Перовскиты можно наносить на поверхность с использованием простых методов, таких как сплошное осаждение из раствора.
Ученые Красноярского научного центра СО РАН оценили эффективность перовкситного солнечного элемента, модифицированного фотонным кристаллом и золотой нанорешеткой.
«Фотонными кристаллами называют среды, в которых показатель преломления изменяется в пространстве с периодом, сопоставимым с длиной волны света. В результате в спектральном составе прошедших через кристалл световых волн образуются пробелы, которые называют запрещенными зонами. Их появление означает, что в этом спектральном диапазоне свет не может войти в фотонный кристалл или выйти из него. Фотонные кристаллы легли в основу нанофотонных устройств, таких как миниатюрные лазеры, фотодетекторы, сенсоры. Они также активно применяются и в солнечных элементах», — поясняет Дмитрий Пыхтин, инженер лаборатории фотоники молекулярных систем Института физики имени Киренского СО РАН.
Благодаря высокому коэффициенту отражения в пределах запрещенной зоны почти 100% излучения, падающего на фотонный кристалл, отражается и проходит через слой перовскита повторно. Добавление золотой нанорешетки в структуру солнечного элемента позволяет возбудить особое состояние света, которое называется таммовский плазмон-поляритон.
«Таммовский плазмон-поляритон — это состояние света, локализованное на границе двух отражающих сред. В предложенном солнечном элементе в качестве зеркал выступают фотонный кристалл и решетка золотых нанополос. Параметры структуры были подобраны таким образом, чтобы все падающее на него излучение поглощалось в фоточувствительном слое перовскита, что приводит к повышению эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую», — пояснил кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН Рашид Бикбаев.
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».
Информация и фото предоставлены Федеральным исследовательским центром «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»