Un gruppo internazionale di scienziati, tra cui alcuni dell'Università ITMO, ha proposto un metodo che consente di aumentare significativamente l'efficienza delle celle solari e dei diodi emettitori di luce. Gli scienziati sono riusciti a ottenere questo risultato aumentando gli strati ausiliari dei dispositivi responsabili del trasporto degli elettroni invece di lavorare con lo strato attivo principale. Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista Materiali funzionali avanzati .

La lotta per preservare l'ambiente e le forti fluttuazioni dei prezzi del petrolio e del gas fanno sì che gli investitori guardino sempre più alle energie rinnovabili. Ecco perché scienziati in diversi paesi stanno lavorando attivamente per rendere il processo di generazione di energia da fonti rinnovabili il più efficiente possibile. Ad esempio, sono attualmente in corso lavori per aumentare l'efficienza delle celle solari, una delle fonti di energia verde più popolari al mondo.

Tipicamente, gli scienziati lavorano con lo strato attivo delle cellule, responsabile dell'assorbimento dell'energia luminosa:sono fatti di silicio, arseniuro di gallio, perovskite e altri materiali. Ma l'efficienza il costo e la durata di una cella solare dipendono non solo dallo strato attivo ma anche da quelli ausiliari. Aumentare la loro efficienza e contemporaneamente diminuire i costi di produzione può consentirci di aumentare i vantaggi competitivi di un dispositivo.

Gli strati ausiliari di una cella solare possono essere del tipo a trasporto di elettroni oa trasporto di lacune. Quando la luce solare raggiunge lo strato attivo, coppie di elettroni e lacune elettroniche, in altre parole, una carica negativa e una positiva, si formano in esso. Dopo di che, devono essere portati ai loro elettrodi corrispondenti. Ed è qui che entrano in gioco gli strati ausiliari:quello di trasporto degli elettroni è responsabile dell'estrazione e del trasferimento della carica negativa dallo strato attivo, mentre lo strato di trasporto buca esegue le stesse operazioni con quello positivo. Un gruppo internazionale di scienziati, compresi quelli dell'Università ITMO, ha proposto un nuovo metodo per la creazione di strati ausiliari per celle solari e diodi emettitori di luce a base di perovskite. Hanno usato punti di carbonio, un materiale ecologico e relativamente economico che può essere facilmente ottenuto sia in laboratorio che in condizioni industriali.

"I punti di carbonio sono nanoparticelle a base di carbonio con un diametro da due a dieci nanometri, " spiega Aleksandr Litvin, un ricercatore associato senior presso l'Università ITMO e coautore della ricerca. "La loro superficie contiene sempre vari gruppi funzionali che determinano in gran parte le proprietà di questo materiale. L'applicazione di punti di carbonio nelle batterie solari non è qualcosa di nuovo, l'importante è la modifica della loro superficie mediante il lavoro con i gruppi funzionali. Un diverso rapporto di questi gruppi sulla superficie determina la configurazione elettronica dei punti di carbonio. Di conseguenza, la personalizzazione di questo ci permette di ottenere i valori ottimali delle funzioni di lavoro degli elettrodi e dei livelli energetici degli strati di trasporto su cui sono applicati. Ciò consente di ottenere una configurazione ottimale con la massima efficienza. Questo approccio è universale per diversi tipi di dispositivi, che per la prima volta ha consentito l'utilizzo di punti di carbonio per aumentare l'efficienza operativa dei diodi emettitori di luce."

Ottenuto in questo modo, il materiale può essere utilizzato non solo per le celle solari ma anche per gli strati ausiliari dei diodi emettitori di luce. Questi ultimi hanno una struttura sostanzialmente simile, ma il processo è inverso:elettroni e lacune non devono essere rimossi dallo strato attivo ma, Invece, iniettato in esso al fine di creare coppie elettrone-lacuna la cui ricombinazione nello strato attivo garantirà la luminescenza. In entrambi i casi, i colleghi internazionali degli scienziati dell'Università ITMO hanno ottenuto un significativo aumento dell'efficienza dei dispositivi realizzati con l'utilizzo di strati ausiliari realizzati con i puntini di carbonio.

"Sono stati creati dispositivi, e le loro proprietà sono state testate, " conclude Aleksandr Litvin. "Nel caso delle celle solari a base di perovskite, siamo riusciti ad ottenere un incremento di efficienza dal 17,3% al 19,5%, questo è, di quasi il 13%. Nel caso dei diodi luminosi, a seconda del materiale dello strato di emissione, l'efficienza quantistica esterna (il rapporto tra il numero di fotoni emessi da un LED e il numero di elettroni iniettati in esso) è aumentata di 2,1-2,7 volte."