Создан универсальный метод моделирования параметров солнечных батарей

Коллектив российских и канадских ученых разработал математическую модель, описывающую поглощение света и его превращения в электрический. Она позволяет снизить потери энергии солнечных батарей и увеличить эффективность их работы. Расчеты можно применять к фотоэлементам со светопоглощающими слоями из разных материалов. Статья опубликована в журнале Scientific Reports.

Поддержанные грантом Российского научного фонда ученые из Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН совместно с коллегами из Университета Куинс в Кингстоне 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 «рождаемых» после этого электронов и дырок в единицу времени.

Основной элемент солнечной батареи — слой, поглощающий свет, расположенный между двумя пластинами электродов. Фотоны поглощаются молекулами среднего слоя, а их энергия способствует «выбиванию» электронов из атомов материала. При этом 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.

Для проверки своих расчетов 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», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ, главный научный сотрудник ИФХЭ РАН Алексей Тамеев.