Перовскитный солнечный элемент с резонансными наночастицами

Полезная модель относится к области фотовольтаики и служит для увеличения преобразования солнечной энергии в электричество и может быть использована в качестве возобновляемого источника энергии на основе перовскитов.
3
3
2
Известен перовскитный солнечный элемент (W. Zhang et al. "Enhancement of Perovskite-Based Solar Cells Employing Core-Shell Metal Nanoparticles", Nano Lett., 2013, 13 (9), pp 4505-1510) с твердотельным плотным и мезопористым электрон-транспортным слоями, перовскитом состава АВХ, (где А -органический катион состава CHNH, В - металл Pb, Х - галоген I) и органическим дырочно-транспортным слоем, где максимальное значение КПД составляет 10.7%, что гораздо ниже значений, полученных в последнее время. Среди перовскитных солнечных элементов с внедренными наночастицами, где между электрон-транспротным слоем и перовскитом содержатся плазмонные наночастицы золота, покрытые слоем оксида кремния, которые увеличивают КПД до 11.4% за счет ускоренного разделения заряда. Также подобные металлические наночастицы теоретически могут привести к увеличению поглощения в слое перовскита за счет возбуждения плазмонных резонансов на поверхности металлических наночастиц, но на практике увеличения поглощения не наблюдается. Однако в приведенных исследованиях перовскитных элементов наблюдается не усиление сигнала фотолюминесценции, а его гашение из-за нерадиационных потерь оптической области спектра до 3.2 раз при наличии металлических наночастиц в перовскитных устройствах. Это приводит к тепловым потерям энергии и вызывает уменьшение энергии связи экситонов, что ведет к более быстрому разделению зарядов.
2
3
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели и выбранным в качестве прототипа является перовскитный солнечный элемент с внедренными резонансными золотыми наночастицами, покрытыми оксидом кремния, описанный в статье (N. Aeineh et al. "Inorganic Surface Engineering to Enhance Perovskite Solar Cell Efficiency", Appl. Mater. Interfaces, vol. 9 (15), pp 13181-13187, 2017). В приведенной работе перовскитный солнечный элемент состоит из следующих слоев FTO (оксид олова, легированный фтором), плотного электрон-транспортного слоя оксида титана (с-TiO), мезопористого электрон-транспортного слоя оксида титана (m-), плазмонных металлических наночастиц, перовскита MAPbI, электрон-блокирующего органического слоя SPIRO-Me-OTAD и верхнего золотого электрода. Плазмонные металлические наночастицы покрываются оболочкой из оксида кремния для избежания контакта химически активного золота с окружающей средой. Недостатком известного оптического элемента из перовскита с внедренными золотыми наночастицами являются высокие потери в золоте на оптических частотах, что не позволяет достигнуть увеличения эффективности за счет концентрации света в фотоактивном слое, а только за счет ускорения разделения заряда. Более того, ввиду отсутствия данных о временной стабильности перовскитных устройств с плазмонными наночастицами их реальное внедрение затруднено, так как активные металлы склонны к взаимодействию с химически чувствительным перовскитом.
Задачей, на решение которой направлена данная полезная модель, является повышение эффективности перовскитных солнечных элементов.
2
3
3
3
Сущность заключается в том, что перовскитный солнечный элемент с резонансными кремниевыми наночастицами содержит следующие компоненты: стеклянная подложка, нижний контактный слой FTO толщиной 600 нм, плотный электрон-проводящий слой TiO толщиной 50-нм, мезопористый электрон-проводящий слой толщиной 150 нм, резонансные наночастицы, слой перовскита CHNHPbI, органический дырочно-транспортный слой SPIRO-OMeTAD толщиной 200 нм, допированный солью Li-BSF, верхний контактный слой золота толщиной 80 нм.
1
Данный технический результат достигается тем, что перовскитный солнечный элемент содержит резонансные наночастицы, помещенные между мезопористым электрон-транспортным слоем и слоем перовскита. В отличие от предыдущих работ, наночастицы выполнены из диэлектрика с высоким показателем преломления n и располагаются преимущественно в углублениях поверхности мезопористого , контактирующие с перовскитом, при этом радиус наночастиц подбирался как R=λ/(2n)±20 нм, где λ - длина волны падающего излучения, в данном случае спектр солнца AM 1.5. Их расположение позволяет возбуждать электро-магнитные поля в оптоэлектронном элементе, локализуя их вблизи частиц, что обеспечивает более эффективное поглощение света фотоактивным слоем вблизи частиц и больший выход фототока. Для достижения данного результата необходимо использовать диэлектрик с высоким показателем преломления n (n>3).
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении эффективности при использовании резонансных диэлектрических наночастиц кремния размереми 100-200 нм в перовскитных солнечных элементах.
Сущность полезной модели поясняется на Фиг., где приведена послойная схема перовскитного солнечного элемента.
Перовскитный солнечный элемент состоит следующих слоев (снизу-вверх):
- стеклянная прозрачная подложка 1 толщиной 3 мм;
- нижний контактный слой FTO (fluoride-doped tin oxide, оксид олова, легированный фтором) 2 толщиной 600 нм;
- плотный электрон-проводящий слой 3 толщиной 50 нм;
- мезопористый электрон-проводящий слой 4 толщиной 150 нм;
- кремниевые диэлектрические наночастицы 5 размером 100-200 нм;
- слой перовскита , частично проникающий между пор  6 толщиной 350 нм;
- органический дырочно-транспортный слой SPIRO-OMeTAD, допированный солью Li-BSF (Lithium bistrifluoromethanesulfonimidate, бис-фторметан-3-сульфонимид лития) 7 толщиной 200 нм;
- верхний контактный слой золота 8 толщиной 80 нм.
Перовскитный солнечный элемент с резонансными кремниевыми наночастицами работает следующим образом. Падающий солнечный спектр на данную структуру снизу-вверх, поглощаясь в слое перовскита 6, при этом в нем образуются электрон-дырочные пары, которые движутся в противоположном друг-другу направлениям к транспортным слоям: электроны проходят к 3 с-через 4 m-, а дырки движутся к 7 SPIRO-OMeTAD, после чего заряды, попадая на контакты солнечного элемента: электроны идут к 2 FTO, а дырки проходят через 8 золотой контакт, образуют постоянный ток. Если вблизи перовскита находятся диэлектрические наночастицы с высоким показателем преломления, например, поликристаллического кремния, то электромагнитная волна возбуждает в этих наночастицах Ми резонансы первого и второго порядка. За счет этих резонансов локальное электромагнитное поле усиливается вблизи 5 наночастиц кремния, а значит, в слое перовскита может локализироваться больше света. Увеличение концентрации света в перовските приводит к увеличению генерации электрон-дырочных пар, а значит, происходит эффективнее выработка фототока. Также, экспериментальные измерения показали, что при присутствии наночастиц кремния в устройстве увеличивается фактор заполнения - уменьшается последовательное и параллельное сопротивление, а также временная стабильность работы устройств. Это связанно с тем, что присутствие кремниевых наночастиц 5 улучшает кристалличность слоя перовскита 6 и уменьшает количество дефектов в ней, которые увеличивают сопротивление.
2
В качестве материальной составляющей диэлектрических наночастиц субволнового размера (100-200 нм) вблизи перовскита используются диэлектрические материалы с высоким значением показателя преломления n>3. В качестве примера таких материалов можно указать поликристаллический кремний. Условие выбора высокого числа n диэлектрического материала обосновывается необходимостью возбуждения в наночастице резонанса Ми в диапазоне длин волн солнечного спектра AM 1.5 с сохранением относительно небольшого размера частицы. При взаимодействии этих частиц с падающей электромагнитной волной возбуждается магнитный и электрический дипольный и квадрупольный резонансы, и наблюдается в десятки раз локальное усиление электрического поля на резонансной частоте. При этом в отличие от металлических частиц не происходит потерь энергии на нагрев, так как диэлектрические материалы обладают низкими потерями в диапазоне спектра AM 1.5. Помещение наночастиц между мезопористым  и перовскитным слоем обеспечивает отсутствие дополнительных шероховатостей отдельных слоев за счет их расположения преимущественно в углублениях m-TiO, а также предотвращает их иллюминацию при нанесении спин-коутером. Отсутствие влияния наночастиц на морфологию пленки подкрепляется ростом фактора заполнения и увеличением напряжения. Наночастицы не образуют плотного диэлектрического слоя, поэтому транспортные свойства устройства не ухудшаются. Контакт диэлектрических наночастиц с перовскитом приводит к более эффективной концентрации электромагнитного поля в фотоактивном перовските и, следовательно, к более эффективному поглощению энергии им. Известно, что количество выработанного солнечных элементом фототока линейно зависит от количества поглощенного излучения. Измерения показали, что квантовый выход перовскитного солнечного элемента увеличивается до 8% по сравнению с солнечным элементом такой же конфигурации, но без наночастиц.
3
3
3
В качестве примера конкретной реализации предлагается солнечный элемент из перовскита, формула которого CHNHPbI, с толщиной готового устройства 1.4 мкм с расположенными между мезопористым электрон-транспортным слоем и перовскитом наночастицами поликристаллического кремния размера 100-200 нм. Данные размеры наночастиц подобраны для наиболее эффективного усиления электромагнитных волн в диапазоне спектра AM 1.5 и сохранения гладкости отдельных слоев солнечного элемента.
Таким образом, путем добавления кремниевых наночастиц между мезопористым слоем и слоем перовскита  в перовскитном солнечном элементе удалось повысить его эффективность до 18.8% за счет улучшения поглощения света перовскитным слоем.