Autor prezentacji: Dr Sławomir Wolski
Na Seminarium zaprezentowany został referat poświęcony własnościom ogniw fotowoltaicznych, których zasadniczym elementem są półprzewodnikowe kropki kwantowe, umieszczone w materiale perowskitowym. Materiał ten stanowi minerał z grupy halogenków metaloorganicznych. Jego zaletą jest łatwy sposób wytwarzania oraz duża efektywność absorpcji światła widzialnego i podczerwieni.
Podczas seminarium Dr Wolski dokonał analizy własności ogniw ze względu na użyty materiał oraz omówił zasadnicze cechy dwuwymiarowych kropek kwantowych, będących studniami potencjału o skwantowanych poziomach energetycznych. Ogniwa możemy podzielić na różne generacje, które w zależności od rodzaju materiału wykazują różną sprawność. W szczególności ogniwa z absorberem perowskitowym zaliczane są do ogniw ekologicznych z uwagi na niską zawartość metali rzadkich. Dr Wolski omówił znaczenie poszczególnych parametrów materiału oraz korzyści płynące z użycia kropek kwantowych w ogniwach fotowoltaicznych. Zasadniczą cechą tego typu struktury jest możliwość pojawienia się dodatkowych poziomów energetycznych w układzie, przez co materiał ogniwa staje się bardziej wydajny jeśli chodzi o absorpcję, także w zakresie podczerwieni. Istotną rolę przy powstawaniu poziomów energetycznych odgrywa m.in. rozmiar kropki. W omawianym modelu wykorzystano materiał z walcowymi kropkami kwantowymi o rozmiarach rzędu kilku nm.
Opis teoretyczny opiera się na metodzie analitycznej, wykorzystującej rozwiązania równania Schrödingera dla elektronu z masą efektywną w cylindrycznym układzie współrzędnych. W obszarze wewnątrz studni rozwiązania mają postać funkcji Bessela, zaś na zewnątrz studni są to zmodyfikowane funkcje Bessela. Wykorzystując warunki brzegowe dla funkcji falowych i ich pochodnych, wyznaczamy szukane poziomy energetyczne studni. Podczas prezentacji omówiono zalety poszczególnym materiałów kropek kwantowych oraz przeanalizowano wyniki w zależności od rodzaju kropki, masy efektywnej i położenia przerw energetycznych w widmie. Jednym ze sposobów na podniesienie wydajności ogniwa jest poszerzenie poziomów widmowych do postaci pasm energetycznych, co można uzyskać np. poprzez nakładanie się funkcji falowych sąsiednich kropek. Wyniki zostały uzyskane dla parametrów wybranego materiału, jakim był CdS. Uwzględniono efekty poszerzenia poziomów energetycznych wykorzystując rachunek zaburzeń. Do wyznaczenia współczynników absorpcji użyta została złota reguła Fermiego.
Obliczenia własności absorpcyjnych dla różnego rodzaju kropek zaprezentowano w postaci tabel i wykresów. Wskazują one na istotne zwiększenie efektywności badanego układu w porównaniu z dotychczas stosowanymi materiałami zarówno jeśli chodzi o wydajność absorpcji fal o określonych długościach, jak i zakres pochłanianego promieniowania. W prezentacji dr Wolski zamieścił także wyniki obliczeń fotoprądu dla ogniwa oraz wydajność procesu generacji nośników ładunku w materiale. Uwzględniona została przy tym część odpowiedzialna za generację ładunku pochodząca od kropek oraz od perowskitu. Scharakteryzowano zależność współczynnika absorpcji światła od amplitudy fali, parametru polaryzacji i gęstości ładunków. Policzone zostały także współczynniki absorpcji oraz czas relaksacji nośników ładunku. Obliczenia wskazują na dużą efektywność przejść międzypasmowych w porównaniu z przejściami pomiędzy dyskretnymi poziomami energetycznymi. Dla użyteczności materiału istotne jest aby wydajność generowania ładunków w paśmie przewodnictwa była większa niż rekombinacja ładunków. Podczas prezentacji przedstawione zostały wyniki obliczeń tak uzyskanego fotoprądu zarówno dla elektronów jak i dla dziur.
Technologia produkcji i wykorzystania omówionego materiału jest w fazie wstępnej, stąd tak istotne jest wyznaczenie spodziewanych własności tych ogniw, zarówno w celu przetestowania poprawności modelu teoretycznego, jak i możliwości projektowania ogniw o jak najlepszych własnościach.
