Увеличение эффективности перовскитных солнечных элементов с помощью плазмонных наночастиц нитрида титана

Почему лучшие солнечные элементы важны в повседневной жизни

Солнечные панели становятся дешевле и все чаще встречаются на крышах, в полях и даже на рюкзаках. Но современные панели по‑прежнему теряют значительную часть энергии Солнца, особенно в красной и ближней инфракрасной областях, которые наши глаза не видят. В этом исследовании изучается изящный способ извлечь гораздо больше электроэнергии из этой потерянной составляющей, используя новый класс высокоэффективных солнечных материалов — перовскиты — в сочетании с крошечными металлическими частицами из нитрида титана.

Превращение большего количества солнечного света в полезную энергию

Перовскитные солнечные элементы приобрели популярность потому, что они могут эффективно улавливать свет и при этом относительно просты и недороги в изготовлении. Популярный перовскитный материал с формулой CH3NH3PbI3 уже хорошо поглощает видимый свет. Его слабая сторона — ближняя инфракрасная область, за примерно 750 нанометров, где его способность поглощать свет резко снижается. Это означает, что большая доля энергии Солнца проходит через элемент, не превращаясь в электричество. Авторы поставили вопрос: могут ли тщательно спроектированные наночастицы выступать в роли мини‑антенн для света, перенаправляя и фокусируя эту иначе потерянную энергию обратно в перовскитный слой.

Мини‑антенны из прочного металла

Группа сосредоточилась на наночастицах из нитрида титана — твердого, жаропрочного соединения, которое в отношении взаимодействия со светом ведет себя как металл. В отличие от золота и серебра — обычных материалов для плазмонных устройств — титан распространен в земной коре и гораздо дешевле. Исследователи придали этим наночастицам форму вытянутых эллипсоидов и расположили их в шестиугольной решетке внутри перовскитного слоя в модели солнечной ячейки: стеклянная передняя поверхность, прозрачный проводящий слой, тонкий слой диоксида титана для направления электронов, перовскит‑поглотитель с внедренными наночастицами, органический слой для сбора дырок и золотой задний контакт для отражения света. Поскольку нитрид титана сильно взаимодействует с широким диапазоном длин волн, особенно при соответствующей форме и плотной упаковке, наночастицы могут захватывать и концентрировать как видимый, так и ближний инфракрасный свет в окрестностях перовскита.

Моделирование света и заряда внутри ячейки

Вместо изготовления устройств в лаборатории авторы применили продвинутые компьютерные симуляции, чтобы проследить поведение света и электрических зарядов внутри солнечной ячейки. Метод конечных разностей во временной области (FDTD) отслеживал, как падающий солнечный свет отражается, рассеивается и поглощается в многослойной структуре и вокруг наночастиц. На основе этих оптических карт они вычисляли, сколько носителей заряда — электронов и дырок — будет создано на каждой глубине внутри элемента. Затем эту информацию использовали в другом инструменте, SCAPS‑1D, который моделирует движение, рекомбинацию и вклад этих носителей в ток и напряжение на клеммах ячейки. Такое сочетание методов позволило протестировать множество конструктивных решений — материал частиц, форму, размер, шаг и схему расположения — без необходимости физической реализации каждого варианта.

Поглощение почти всего полезного солнечного света

Оптимизированная конструкция с эллипсоидами из нитрида титана в плотной шестиугольной решетке изменила поведение перовскитного слоя. Симуляции показали более 90 процентов поглощения в широком диапазоне от 400 до 1200 нанометров, значительно заходя в ближнюю инфракрасную область. Для сравнения, похожая ячейка без наночастиц сохраняла высокое поглощение лишь до примерно 750 нанометров, а затем падала примерно до четверти этой эффективности. Карты электрического поля внутри устройства выявили интенсивные яркие области вокруг наночастиц — признак того, что они действуют как мини‑антенны, захватывающие и повторно испускающие свет, что значительно повышает вероятность его поглощения окружающим перовскитом.

Практически теоретическая эффективность на бумаге

Когда эти оптические выигрыши были переведены в электрические показатели, смоделированная ячейка показала впечатляющую работу. Плотность короткого замыкания, измеряющая ток при полном освещении, возросла с примерно 26 до почти 47 миллиампер на квадратный сантиметр — увеличение порядка 80 процентов. Общая эффективность преобразования мощности поднялась с 18,2 процента до 31,8 процента, приближаясь к фундаментальному теоретическому пределу для одноштаровочной солнечной ячейки. Хотя авторы подчеркивают, что эти значения получены в идеализированных симуляциях и реальные устройства столкнутся с потерями из‑за дефектов и ограничений производства, результаты демонстрируют, как наночастицы нитрида титана могут приблизить перовскитные элементы к рекордной производительности, используя материал, устойчивый к нагреву и относительно недорогой.

Что это значит для будущих солнечных панелей

Для неспециалиста основная мысль такова: внедрение тщательно спроектированных, прочных и доступных наночастиц внутрь перовскитной солнечной ячейки может позволить будущим панелям улавливать не только видимую часть солнечного света, но и большую долю невидимой ближней инфракрасной составляющей. Если эти проекты удастся реализовать на практике, они обещают более легкие, более эффективные и потенциально более дешевые солнечные модули, что поможет сделать возобновляемую электроэнергию более конкурентоспособной и широко распространенной в усилиях по сокращению выбросов парниковых газов.

Цитирование: El-Mallah, M.N., El-Aasser, M. & Gad, N. Performance enhancement of perovskite solar cells through plasmonic titanium nitride nanoparticles. Sci Rep 16, 7182 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37468-0

Ключевые слова: перовскитные солнечные элементы, наночастицы нитрида титана, плазмонная фотовольтаика, повышение поглощения света, эффективность солнечной энергии