RU206335U1 - Перовскитный солнечный элемент с резонансными наночастицами - Google Patents
Перовскитный солнечный элемент с резонансными наночастицами Download PDFInfo
- Publication number
- RU206335U1 RU206335U1 RU2018142094U RU2018142094U RU206335U1 RU 206335 U1 RU206335 U1 RU 206335U1 RU 2018142094 U RU2018142094 U RU 2018142094U RU 2018142094 U RU2018142094 U RU 2018142094U RU 206335 U1 RU206335 U1 RU 206335U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- perovskite
- nanoparticles
- thick
- solar cell
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
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. Перовскитный солнечный элемент с резонансными наночастицами состоит из стеклянной подложки, нижнего контактного слоя FTO толщиной 600 нм, плотного электрон-проводящего слоя ТiО2толщиной 50 нм, мезопористого электронпроводящего слоя ТiО2толщиной 150 нм, резонансных наночастиц, слоя перовскита CH3NH3PbI3, органического дырочно-транспортного слоя SPIRO-OMeTAD толщиной 200 нм, допированного солью Li-BSF, верхнего контактного слоя золота толщиной 80 нм и отличается тем, что между мезопористым слоем ТiО2и слоем перовскита CH3NH3PbI3внедрены диэлектрические наночастицы кремния с показателем преломления n выше, чем показатель преломления n перовскита, а радиус наночастиц R1=λ/(2n)±20 нм, где λ=400-800 нм - длина волны падающего излучения. Технический результат заключается в повышении эффективности перовскитных солнечных элементов.
Description
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.
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 АВХ3, (где А -органический катион состава CH3NH2, 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.
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-TiO2), мезопористого электрон-транспортного слоя оксида титана (m-), плазмонных металлических наночастиц, перовскита MAPbI3, 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.
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 TiO2 толщиной 50-нм, мезопористый электрон-проводящий слой толщиной 150 нм, резонансные наночастицы, слой перовскита CH3NH3PbI3, органический дырочно-транспортный слой SPIRO-OMeTAD толщиной 200 нм, допированный солью Li-BSF, верхний контактный слой золота толщиной 80 нм.
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 R1=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.
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-TiO2, 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.
В качестве примера конкретной реализации предлагается солнечный элемент из перовскита, формула которого CH3NH3PbI3, 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.
Claims (1)
- Перовскитный солнечный элемент с резонансными наночастицами, состоящий из стеклянной подложки, нижнего контактного слоя FTO толщиной 600 нм, плотного электрон-проводящего слоя TiО2 толщиной 50 нм, мезопористого электрон-проводящего слоя TiO2 толщиной 150 нм, резонансных наночастиц, слоя перовскита CH3NH3PbI3, органического дырочно-транспортного слоя SPIRO-OMeTAD толщиной 200 нм, допированного солью Li-BSF, верхнего контактного слоя золота толщиной 80 нм, отличающийся тем, что между мезопористым слоем и слоем перовскита CH3NH3PbI3 внедрены диэлектрические наночастицы кремния с показателем преломления n выше, чем показатель преломления n перовскита, а радиус наночастиц R1=λ/(2n)±20 нм, где λ=400-800 нм - длина волны падающего излучения.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018142094U RU206335U1 (ru) | 2018-11-28 | 2018-11-28 | Перовскитный солнечный элемент с резонансными наночастицами |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018142094U RU206335U1 (ru) | 2018-11-28 | 2018-11-28 | Перовскитный солнечный элемент с резонансными наночастицами |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU206335U1 true RU206335U1 (ru) | 2021-09-06 |
Family
ID=77663399
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018142094U RU206335U1 (ru) | 2018-11-28 | 2018-11-28 | Перовскитный солнечный элемент с резонансными наночастицами |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU206335U1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU226666U1 (ru) * | 2023-06-01 | 2024-06-18 | Фурасова Александра Дмитриевна | Перовскитный солнечный элемент с полупроводниковыми наностержнями |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2951847A1 (en) * | 2013-02-04 | 2015-12-09 | Sharp Kabushiki Kaisha | Dye-sensitized solar cell (dsc) with energy-donor enhancement, method for fabricating dsc and method for generating photocurrent using dsc |
RU2645221C1 (ru) * | 2016-09-30 | 2018-02-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Перовскитная солнечная ячейка и способ ее изготовления |
US20190221748A1 (en) * | 2018-01-17 | 2019-07-18 | The Regents Of The University Of California | Efficient solar cells via sulfur-fused helical perylene diimides design concept |
RU202307U1 (ru) * | 2020-10-21 | 2021-02-11 | Виктор Юрьевич Тимошенко | Фотоэлектрический преобразователь |
-
2018
- 2018-11-28 RU RU2018142094U patent/RU206335U1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2951847A1 (en) * | 2013-02-04 | 2015-12-09 | Sharp Kabushiki Kaisha | Dye-sensitized solar cell (dsc) with energy-donor enhancement, method for fabricating dsc and method for generating photocurrent using dsc |
RU2645221C1 (ru) * | 2016-09-30 | 2018-02-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Перовскитная солнечная ячейка и способ ее изготовления |
US20190221748A1 (en) * | 2018-01-17 | 2019-07-18 | The Regents Of The University Of California | Efficient solar cells via sulfur-fused helical perylene diimides design concept |
RU202307U1 (ru) * | 2020-10-21 | 2021-02-11 | Виктор Юрьевич Тимошенко | Фотоэлектрический преобразователь |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU226666U1 (ru) * | 2023-06-01 | 2024-06-18 | Фурасова Александра Дмитриевна | Перовскитный солнечный элемент с полупроводниковыми наностержнями |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Li et al. | Intermolecular π–π conjugation self‐assembly to stabilize surface passivation of highly efficient perovskite solar cells | |
Kakavelakis et al. | Recent advances in plasmonic metal and rare-earth-element upconversion nanoparticle doped perovskite solar cells | |
Zhang et al. | Efficient perovskite solar cells by combination use of Au nanoparticles and insulating metal oxide | |
Zhang et al. | Formamidinium lead bromide (FAPbBr 3) perovskite microcrystals for sensitive and fast photodetectors | |
Li et al. | Enhanced UV-light stability of planar heterojunction perovskite solar cells with caesium bromide interface modification | |
Zheng et al. | Designing nanobowl arrays of mesoporous TiO 2 as an alternative electron transporting layer for carbon cathode-based perovskite solar cells | |
Ding et al. | Plasmonic dye-sensitized solar cells | |
van Sark et al. | Upconversion in solar cells | |
Zhang et al. | Sn-doped TiO 2 nanorod arrays and application in perovskite solar cells | |
KR101575733B1 (ko) | 근적외선 파장변환 구조체 및 이를 이용한 태양전지 | |
Abdellatif et al. | Transparency and diffused light efficiency of dye-sensitized solar cells: tuning and a new figure of merit | |
Ma et al. | Plasmonic‐enhanced light harvesting and perovskite solar cell performance using Au biometric dimers with broadband structural darkness | |
Zhan et al. | Micro‐Nano Structure Functionalized Perovskite Optoelectronics: From Structure Functionalities to Device Applications | |
Lin et al. | Nanophotonic perovskite solar cell architecture with a three-dimensional TiO 2 nanodendrite scaffold for light trapping and electron collection | |
Ali et al. | Efficiency enhancement of perovskite solar cells by incorporation of CdS quantum dot through fast electron injection | |
Perrakis et al. | Efficient and environmental-friendly perovskite solar cells via embedding plasmonic nanoparticles: an optical simulation study on realistic device architectures | |
Lin et al. | An efficient broadband and omnidirectional light-harvesting scheme employing a hierarchical structure based on a ZnO nanorod/Si 3 N 4-coated Si microgroove on 5-inch single crystalline Si solar cells | |
Tao et al. | Efficient photodiode-type photodetectors with perovskite thin films derived from an MAPbI 3 single-crystal precursor | |
Du et al. | Hot-Carrier Injection Antennas with Hemispherical AgO x@ Ag Architecture for Boosting the Efficiency of Perovskite Solar Cells | |
Ye et al. | Ultrafast Photogenerated Hole Extraction/Transport Behavior in a CH3NH3PbI3/Carbon Nanocomposite and Its Application in a Metal‐Electrode‐Free Solar Cell | |
Zheng et al. | Fabrication of a visible light detector based on a coaxial polypyrrole/TiO 2 nanorod heterojunction | |
Zhang et al. | Influence of TiO2 blocking layer morphology on planar heterojunction perovskite solar cells | |
Jung et al. | Light management in perovskite solar cells | |
Mulyanti et al. | Absorption Performance of Doped TiO2‐Based Perovskite Solar Cell using FDTD Simulation | |
Chander et al. | Comparison of different types of solar cells–a review |