Ultra tanke sončne celice?

Ultra tanke sončne celice?

Izboljšane ultra tanke sončne celice: 2D perovskitne spojine imajo primerne materiale za izzivanje kosovnih izdelkov.

Inženirji na Univerzi Rice so dosegli nova merila pri oblikovanju tankih sončnih celic v atomskem merilu iz polprevodniških perovskitov, s čimer so povečali njihovo učinkovitost, hkrati pa ohranili njihovo sposobnost, da vzdržijo okolje.

Laboratorij Aditya Mohite z inženirske šole George R Brown univerze Rice je ugotovil, da sončna svetloba skrči prostor med atomskimi plastmi v dvodimenzionalnem perovskitu, kar je dovolj za povečanje fotovoltaične učinkovitosti materiala za kar 18 %, kar je pogost napredek. . Na tem področju je bil dosežen fantastičen preskok, merjen v odstotkih.

"V 10 letih se je učinkovitost perovskita dvignila s približno 3% na več kot 25%," je dejal Mohite. "Za dosego drugih polprevodnikov bo potrebnih približno 60 let. Zato smo tako navdušeni."

Perovskit je spojina s kubično mrežo in je učinkovit zbiralnik svetlobe. Njihov potencial je znan že vrsto let, vendar imajo težavo: lahko pretvarjajo sončno svetlobo v energijo, vendar jih sončna svetloba in vlaga lahko razgradita.

"Tehnologija sončnih celic naj bi trajala 20 do 25 let," je dejal Mohite, izredni profesor za kemijsko in biomolekularno inženirstvo ter znanost o materialih in nanoinženiring. "Delamo že vrsto let in še naprej uporabljamo velike perovskite, ki so zelo učinkoviti, a ne zelo stabilni. V nasprotju s tem imajo dvodimenzionalni perovskiti odlično stabilnost, vendar niso dovolj učinkoviti, da bi jih lahko postavili na streho."

"Največja težava je, da so učinkoviti, ne da bi pri tem ogrozili stabilnost."
Inženirji Rice in njihovi sodelavci z univerze Purdue in univerze Northwestern, Los Alamos, Argonne in Brookhaven iz nacionalnega laboratorija ameriškega ministrstva za energijo ter Inštituta za elektroniko in digitalno tehnologijo (INSA) v Rennesu v Franciji, in njihovi sodelavci so ugotovili, da so nekateri dvodimenzionalni perovskiti, sončna svetloba učinkovito skrči prostor med atomi in poveča njihovo sposobnost prenašanja električnega toka.

"Ugotovili smo, da ko vžgete material, ga stisnete kot gobo in zberete plasti skupaj, da povečate prenos naboja v tej smeri," je dejal Mocht. Raziskovalci so ugotovili, da lahko postavitev plasti organskih kationov med jodidom na vrhu in svincem na dnu izboljša interakcijo med plastmi.

"To delo je zelo pomembno za preučevanje vzbujenih stanj in kvazidelcev, kjer je ena plast pozitivnega naboja na drugi, negativna pa na drugi in se lahko pogovarjajo med seboj," je dejal Mocht. "Ti se imenujejo ekscitoni in imajo lahko edinstvene lastnosti.

"Ta učinek nam omogoča, da razumemo in prilagodimo te osnovne interakcije med svetlobo in snovjo, ne da bi ustvarili zapletene heterostrukture, kot so zloženi 2D dihalkogenidi prehodnih kovin," je dejal.

Kolegi v Franciji so poskus potrdili z računalniškim modelom. Jacky Even, profesor fizike na INSA, je dejal: "Ta raziskava ponuja edinstveno priložnost za združevanje najnaprednejše ab initio simulacijske tehnologije, raziskav materiala z uporabo obsežnih nacionalnih sinhrotronskih zmogljivosti in in situ karakterizacije sončnih celic v delovanju. Združite ." "Ta članek prvič opisuje, kako pojav pronicanja nenadoma sprosti polnilni tok v materialu perovskita."

Oba rezultata kažeta, da se po 10 minutah izpostavljenosti sončnemu simulatorju pri sončni intenzivnosti dvodimenzionalni perovskit skrči za 0.4 % po svoji dolžini in približno 1 % od vrha do dna. Dokazali so, da je učinek viden v 1 minuti pod petimi intenzivnostmi sonca.

"Ne sliši se veliko, toda 1-odstotno krčenje razmika med rešetkami bo povzročilo znatno povečanje pretoka elektronov," je dejal Li Wenbin, podiplomski študent Rice in so-glavni avtor. "Naše raziskave kažejo, da se je elektronska prevodnost materiala trikrat povečala."

Hkrati je zaradi narave kristalne mreže material odporen na razgradnjo, tudi če se segreje na 80 stopinj Celzija (176 stopinj Fahrenheita). Raziskovalci so tudi ugotovili, da se rešetka hitro sprosti nazaj v svojo standardno konfiguracijo, ko se luči ugasnejo.

"Ena od glavnih privlačnosti 2D perovskitov je, da imajo običajno organske atome, ki delujejo kot ovire za vlago, so toplotno stabilni in rešujejo težave z migracijo ionov," je dejal podiplomski študent in sovodni avtor Siraj Sidhik. "3D perovskiti so nagnjeni k toplotni in svetlobni nestabilnosti, zato so raziskovalci začeli postavljati 2D plasti na masivne perovskite, da bi videli, ali bi lahko kar najbolje izkoristili oboje.

"Mislimo, da preklopimo na 2D in ga naredimo učinkovitega," je dejal.

Za opazovanje krčenja materiala je ekipa uporabila dve uporabniški napravi Urada za znanost Ministrstva za energijo ZDA (DOE): Nacionalni sinhrotronski svetlobni vir II iz Brookhavenskega nacionalnega laboratorija Ministrstva za energijo ZDA in Advanced State Laboratory of Argonne National Laboratory ameriškega ministrstva za energijo. Laboratorij za fotonski vir (APS).

Argonnski fizik Joe Strzalka, soavtor članka, uporablja ultra svetle rentgenske žarke APS za zajemanje majhnih strukturnih sprememb v materialih v realnem času. Občutljivi instrument na 8-ID-E žarka APS omogoča "operativne" študije, kar pomeni študije, ki se izvajajo, ko je oprema izpostavljena nadzorovanim spremembam temperature ali okolja v normalnih delovnih pogojih. V tem primeru so Strzalka in njegovi sodelavci izpostavili fotoobčutljivi material v sončni celici simulirani sončni svetlobi, pri čemer so ohranjali konstantno temperaturo in opazili drobne kontrakcije na atomski ravni.

Kot kontrolni poskus so Strzalka in njegovi soavtorji ohranili temno sobo, zvišali temperaturo in opazili nasprotni učinek – širitev materiala. To nakazuje, da je preobrazbo povzročila svetloba sama, ne toplota, ki jo ustvari.

"Za takšne spremembe je pomembno, da se izvajajo operativne raziskave," je dejal Strzalka. "Tako kot želi vaš mehanik zagnati vaš motor, da bi videl, kaj se v njem dogaja, v bistvu želimo posneti video te pretvorbe, ne niti enega posnetka. Objekti, kot je APS, nam to omogočajo."

Strzalka je poudaril, da APS doživlja znatno nadgradnjo, da bi povečal svetlost svojih rentgenskih žarkov do 500-krat. Dejal je, da bodo, ko bo končana, svetlejši žarki in hitrejši, ostrejši detektorji povečali sposobnost znanstvenikov, da te spremembe zaznajo z večjo občutljivostjo.

To lahko pomaga ekipi Rice prilagoditi material za boljšo učinkovitost. "Načrtujemo katione in vmesnike, da bi dosegli več kot 20-odstotno učinkovitost," je dejal Sidhik. "To bo spremenilo vse na področju perovskita, ker bodo potem ljudje začeli uporabljati 2D perovskit za serijo 2D perovskit/silicij in 2D/3D perovskit, kar lahko prinese učinkovitost blizu 30%. Zaradi tega bo njegova komercializacija privlačna."