При преобразовании света в электричество в солнечных батареях часть энергии неизбежно рассеивается. Правильно подобранные параметры конструкции могут минимизировать эти потери и увеличить эффективность работы устройств.
Фото: Коммерсантъ / Виктор Коротаев / купить фото
Фото: Алексей Тамеев / ИХФЭ
Для этого российские и канадские ученые разработали математическую модель, описывающую поглощение света и его превращение в электрический ток, сконструировали солнечные батареи и успешно подтвердили свои предсказания. Расчеты уникальны тем, что их можно применять к фотоэлементам со светопоглощающими слоями из разных материалов. Теперь исследователи планируют создать компьютерную программу для расчета параметров, тестирования и диагностики фотоэлементов на основе неизученных материалов. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).
Среди альтернативных источников энергии свет обладает наиболее широким спектром применения — от крошечного фотоэлемента для подзарядки гаджетов до гигантских «крыльев» космических спутников. Города могут обеспечиваться электроэнергией за счет покрытия солнечными элементами свободного пространства разных архитектурных сооружений.
Основной элемент солнечной батареи — поглощающий свет слой, расположенный между двумя накапливающими заряд пластинами — электродами. Частицы света — фотоны — поглощаются молекулами среднего слоя, а их энергия способствует «выбиванию» электронов из атомов материала. На месте «удара» возникают так называемые дырки — носители положительного заряда. За счет движения электронов и дырок к противоположно заряженным электродам и возникает электрический ток. Эффективность солнечной батареи зависит от природы и толщины фотоактивного слоя. Среди поглощающих свет материалов для солнечных элементов нового поколения наиболее перспективны кристаллы перовскита и пленки из полимерной смеси.
Ранее ученые предпринимали попытки моделировать процессы внутри солнечных батарей, но для каждого материала в отдельности. Ученые из Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН (Москва) совместно с коллегами из Университета Куинс в Кингстоне (Канада) смоделировали оптические параметры перовскитного и полимерного фотоактивных слоев, используя метод матриц переноса. Этот математический прием позволяет рассчитать распространение светового потока в фотоактивном материале и оценить толщину, при которой устанавливается оптимальное соотношение между концентрациями поглощаемых фотонов и рождающихся после этого электронов и дырок в единицу времени.
Чтобы проверить расчеты, ученые сконструировали солнечные батареи на основе перовскитных и полимерных материалов и измерили их характеристики. Результаты эксперимента полностью подтвердили предсказания математической модели для обоих типов батарей.
«Результаты наших исследований показывают, что моделирование с применением метода матриц переноса позволяет рассчитывать оптимальные параметры солнечных батарей независимо от природы фотоактивного слоя. Мы полагаем, что предложенная модель поможет снизить затраты времени и материалов при разработке солнечных элементов и фотодиодов с применением новых фотоактивных соединений. Исходя из полученных данных, мы планируем создать компьютерную программу для расчета параметров, тестирования и диагностики фотоэлементов на основе неизученных материалов. Разработка новых материалов для таких устройств выполняется сотрудниками Института органического синтеза им. И. Я. Постовского УрО РАН и Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН в рамках проекта РНФ»,— сообщил Алексей Тамеев, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН.
Использованы материалы статьи A common optical approach to thickness optimization in polymer and perovskite solar cells; Olga D. Iakobson, Oxana L. Gribkova, Alexey R. Tameev & Jean-Michel Nunzi; журнал Scientific Reports, март 2021 г.