Ultracienkie ogniwa słoneczne?

Ultracienkie ogniwa słoneczne?

Ulepszone ultracienkie ogniwa słoneczne: dwuwymiarowe związki perowskitu mają odpowiednie materiały, aby rzucić wyzwanie nieporęcznym produktom.

Inżynierowie z Rice University osiągnęli nowe standardy w projektowaniu cienkich ogniw słonecznych w skali atomowej wykonanych z półprzewodnikowych perowskitów, zwiększając ich wydajność przy jednoczesnym zachowaniu ich odporności na warunki środowiskowe.

Laboratorium Aditya Mohite w George R Brown School of Engineering na Uniwersytecie Rice odkryło, że światło słoneczne kurczy przestrzeń między warstwami atomowymi w dwuwymiarowym perowskicie na tyle, aby zwiększyć wydajność fotowoltaiczną materiału aż o 18%, co jest częstym postępem . W terenie dokonano fantastycznego skoku, mierzonego w procentach.

„W ciągu 10 lat wydajność perowskitu wzrosła z około 3% do ponad 25%” – powiedział Mohite. „Osiągnięcie innych półprzewodników zajmie około 60 lat. Dlatego jesteśmy tak podekscytowani”.

Perowskit jest związkiem o sześciennej siatce i jest wydajnym kolektorem światła. Ich potencjał jest znany od wielu lat, ale mają problem: potrafią przekształcać światło słoneczne w energię, ale światło słoneczne i wilgoć mogą je degradować.

„Oczekuje się, że technologia ogniw słonecznych będzie trwała od 20 do 25 lat” – powiedział Mohite, profesor nadzwyczajny inżynierii chemicznej i biomolekularnej oraz inżynierii materiałowej i nanoinżynierii. „Pracujemy od wielu lat i nadal używamy dużych perowskitów, które są bardzo skuteczne, ale niezbyt stabilne. Natomiast perowskity dwuwymiarowe mają doskonałą stabilność, ale nie są na tyle wydajne, aby można je było umieścić na dachu.

„Największym problemem jest uczynienie ich wydajnymi bez uszczerbku dla stabilności”.
Inżynierowie Rice i ich współpracownicy z Purdue University i Northwestern University, Los Alamos, Argonne i Brookhaven z Narodowego Laboratorium Departamentu Energii USA oraz Instytutu Elektroniki i Technologii Cyfrowych (INSA) w Rennes we Francji oraz ich współpracownicy odkryli, że niektóre dwuwymiarowe perowskity, światło słoneczne skutecznie zmniejsza przestrzeń między atomami, zwiększając ich zdolność do przenoszenia prądu elektrycznego.

„Odkryliśmy, że zapalając materiał, ściska się go jak gąbkę i łączy warstwy, aby zwiększyć przenoszenie ładunku w tym kierunku” – powiedział Mocht. Naukowcy odkryli, że umieszczenie warstwy kationów organicznych pomiędzy jodkiem na górze a ołowiem na dole może zwiększyć interakcję między warstwami.

„Ta praca ma ogromne znaczenie dla badania stanów wzbudzonych i kwazicząstek, gdzie jedna warstwa ładunku dodatniego znajduje się na drugiej, a ładunek ujemny na drugiej, i mogą ze sobą rozmawiać” – powiedział Mocht. „Nazywa się je ekscytonami i mogą mieć unikalne właściwości.

„Ten efekt pozwala nam zrozumieć i dostosować te podstawowe interakcje światło-materia bez tworzenia złożonych heterostruktur, takich jak ułożone dwuwymiarowo dichalkogenki metali przejściowych” – powiedział.

Koledzy z Francji potwierdzili eksperyment z modelem komputerowym. Jacky Even, profesor fizyki w INSA, powiedział: „Badania te stanowią wyjątkową okazję do połączenia najbardziej zaawansowanej technologii symulacji ab initio, badań materiałowych z wykorzystaniem dużych krajowych obiektów synchrotronowych oraz charakteryzacji in situ działających ogniw słonecznych. Połączcie ”. „W tym artykule po raz pierwszy opisano, w jaki sposób zjawisko przesiąkania nagle uwalnia prąd ładowania w materiale perowskitowym”.

Obydwa wyniki pokazują, że po 10 minutach ekspozycji na symulator słońca przy natężeniu światła słonecznego dwuwymiarowy perowskit kurczy się o 0.4% na swojej długości i o około 1% od góry do dołu. Udowodnili, że efekt można zobaczyć w ciągu 1 minuty przy pięciu intensywnościach słońca.

"To nie brzmi jak dużo, ale 1% zmniejszenie odstępów między sieciami spowoduje znaczny wzrost przepływu elektronów" - powiedział Li Wenbin, doktorant w Rice i współautor. „Nasze badania pokazują, że przewodnictwo elektronowe materiału wzrosło trzykrotnie”.

Jednocześnie charakter sieci krystalicznej sprawia, że ​​materiał jest odporny na degradację, nawet po podgrzaniu do 80 stopni Celsjusza (176 stopni Fahrenheita). Naukowcy odkryli również, że siatka szybko wraca do swojej standardowej konfiguracji po wyłączeniu świateł.

„Jedną z głównych atrakcji perowskitów 2D jest to, że zwykle mają atomy organiczne, które działają jako bariery dla wilgoci, są stabilne termicznie i rozwiązują problemy z migracją jonów” – powiedział doktorant i współprowadzący autor Siraj Sidhik. „Perowskity 3D są podatne na niestabilność termiczną i świetlną, więc naukowcy zaczęli umieszczać warstwy 2D na masywnych perowskitach, aby sprawdzić, czy mogą w pełni wykorzystać oba te elementy.

„Myślimy, że po prostu przełączmy się na 2D i sprawmy, by był wydajny” - powiedział.

Aby zaobserwować kurczenie się materiału, zespół wykorzystał dwa obiekty użytkownika Biura Naukowego Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE): Narodowe Synchrotronowe Źródło Światła II w Brookhaven National Laboratory Departamentu Energii USA oraz Advanced State Laboratory of Krajowe Laboratorium Argonne Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych. Laboratorium Źródeł Fotonowych (APS).

Fizyk Argonne, Joe Strzałka, współautor artykułu, wykorzystuje ultrajasne promieniowanie rentgenowskie APS do rejestrowania niewielkich zmian strukturalnych w materiałach w czasie rzeczywistym. Czuły instrument na 8-ID-E linii APS pozwala na badania „operacyjne”, co oznacza badania prowadzone, gdy sprzęt podlega kontrolowanym zmianom temperatury lub środowiska w normalnych warunkach pracy. W tym przypadku Strzałka i jego współpracownicy wystawili światłoczuły materiał w ogniwie słonecznym na symulowane światło słoneczne, utrzymując stałą temperaturę i zaobserwowali niewielkie skurcze na poziomie atomowym.

W ramach eksperymentu kontrolnego Strzałka i jego współautorzy utrzymywali ciemność w pomieszczeniu, zwiększali temperaturę i obserwowali efekt odwrotny – rozszerzanie się materiału. Sugeruje to, że samo światło, a nie ciepło, które generuje, spowodowało transformację.

"Dla takich zmian ważne jest prowadzenie badań operacyjnych" - powiedział Strzałka. „Tak jak twój mechanik chce uruchomić silnik, aby zobaczyć, co się w nim dzieje, tak my zasadniczo chcemy nagrać film z tej konwersji, a nie pojedyncze zdjęcie. Urządzenia takie jak APS pozwalają nam to zrobić”.

Strzałka zwrócił uwagę, że APS przechodzi znaczną modernizację, aby zwiększyć jasność swoich promieni rentgenowskich nawet 500-krotnie. Powiedział, że gdy zostanie ukończony, jaśniejsze wiązki i szybsze, ostrzejsze detektory zwiększą zdolność naukowców do wykrywania tych zmian z większą czułością.

Może to pomóc zespołowi Rice w dostosowaniu materiału w celu uzyskania lepszej wydajności. „Projektujemy kationy i interfejsy, aby osiągnąć wydajność przekraczającą 20%” – powiedział Sidhik. „To zmieni wszystko w dziedzinie perowskitów, ponieważ wtedy ludzie zaczną używać perowskitu 2D w seriach perowskit/krzem 2D i perowskit 2D/3D, co może zwiększyć wydajność do blisko 30%. Dzięki temu jego komercjalizacja będzie atrakcyjna”.