Ultratynde solceller?

Ultratynde solceller?

Ultratynde solceller forbedret: 2D perovskitforbindelser har de egnede materialer til at udfordre voluminøse produkter.

Ingeniører ved Rice University har opnået nye benchmarks i at designe tynde solceller i atomskala lavet af halvlederperovskiter, hvilket øger deres effektivitet og bevarer deres evne til at modstå miljøet.

Aditya Mohite-laboratoriet fra Rice Universitys George R Brown School of Engineering fandt, at sollys formindsker rummet mellem atomlagene i en todimensionel perovskit, nok til at øge materialets fotovoltaiske effektivitet med så meget som 18%, hvilket er hyppigt fremskridt. . Der er opnået et fantastisk spring i marken og målt i procenter.

"På 10 år er effektiviteten af ​​perovskit steget fra omkring 3% til mere end 25%," sagde Mohite. "Andre halvledere vil tage omkring 60 år at opnå. Det er derfor, vi er så begejstrede."

Perovskite er en forbindelse med et kubisk gitter og er en effektiv lyssamler. Deres potentiale har været kendt i mange år, men de har et problem: De kan omdanne sollys til energi, men sollys og fugt kan nedbryde dem.

"Solcelleteknologi forventes at vare 20 til 25 år," sagde Mohite, lektor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab og materialevidenskab og nanoteknik. "Vi har arbejdet i mange år og fortsætter med at bruge store perovskitter, som er meget effektive, men ikke særlig stabile. Derimod har todimensionelle perovskiter fremragende stabilitet, men er ikke effektive nok til at blive placeret på taget.

"Det største problem er at gøre dem effektive uden at gå på kompromis med stabiliteten."
Rice-ingeniørerne og deres samarbejdspartnere fra Purdue University og Northwestern University, Los Alamos, Argonne og Brookhaven fra US Department of Energy National Laboratory og Institute of Electronics and Digital Technology (INSA) i Rennes, Frankrig, og deres samarbejdspartnere fandt, at I Nogle todimensionelle perovskitter, krymper sollys effektivt rummet mellem atomer, hvilket øger deres evne til at føre elektrisk strøm.

"Vi fandt ud af, at når du antænder materialet, klemmer du det som en svamp og samler lagene sammen for at forbedre ladningsoverførslen i den retning," sagde Mocht. Forskerne fandt ud af, at placering af et lag af organiske kationer mellem iodidet på toppen og blyet på bunden kan forbedre interaktionen mellem lagene.

"Dette arbejde er af stor betydning for studiet af exciterede tilstande og kvasipartikler, hvor det ene lag af positiv ladning er på den anden, og den negative ladning er på den anden, og de kan tale med hinanden," sagde Mocht. "Disse kaldes excitoner, og de kan have unikke egenskaber.

"Denne effekt giver os mulighed for at forstå og justere disse grundlæggende lys-stof-interaktioner uden at skabe komplekse heterostrukturer såsom stablede 2D-overgangsmetal-dichalcogenider," sagde han.

Kolleger i Frankrig bekræftede forsøget med en computermodel. Jacky Even, professor i fysik ved INSA, sagde: "Denne forskning giver en unik mulighed for at kombinere den mest avancerede ab initio simuleringsteknologi, materialeforskning ved hjælp af store nationale synkrotronfaciliteter og in-situ karakterisering af solceller i drift. Kombiner ." "Dette papir beskriver for første gang, hvordan nedsivningsfænomenet pludselig frigiver ladestrømmen i perovskitmaterialet."

Begge resultater viser, at efter 10 minutters eksponering for solsimulatoren ved en solintensitet, krymper den todimensionelle perovskit med 0.4 % langs sin længde og omkring 1 % fra top til bund. De beviste, at effekten kunne ses inden for 1 minut under fem solintensiteter.

"Det lyder ikke af meget, men en 1% krympning af gitterafstanden vil forårsage en væsentlig stigning i elektronstrømmen," sagde Li Wenbin, en kandidatstuderende i Rice og medforfatter. "Vores forskning viser, at den elektroniske ledning af materialet er tredoblet."

Samtidig gør krystalgitterets natur materialet modstandsdygtigt over for nedbrydning, selv når det opvarmes til 80 grader Celsius (176 grader Fahrenheit). Forskerne fandt også ud af, at gitteret hurtigt slapper af tilbage til sin standardkonfiguration, når lysene er slukket.

"En af hovedattraktionerne ved 2D perovskites er, at de normalt har organiske atomer, der fungerer som fugtbarrierer, er termisk stabile og løser ionmigreringsproblemer," sagde kandidatstuderende og medforfatter Siraj Sidhik. "3D perovskites er tilbøjelige til termisk og lys ustabilitet, så forskere begyndte at lægge 2D-lag oven på massive perovskites for at se, om de kunne få mest muligt ud af begge dele.

"Vi tænker, lad os bare skifte til 2D og gøre det effektivt," sagde han.

For at observere materialets krympning brugte holdet to brugerfaciliteter i US Department of Energy (DOE) Office of Science: National Synchrotron Light Source II fra Brookhaven National Laboratory i US Department of Energy og Advanced State Laboratory i det amerikanske energiministeriums Argonne National Laboratory. Fotonkilde (APS) Laboratorium.

Argonne-fysiker Joe Strzalka, avisens medforfatter, bruger APS' ultra-lyse røntgenstråler til at fange små strukturelle ændringer i materialer i realtid. Det følsomme instrument ved 8-ID-E af APS beamline giver mulighed for "operationelle" undersøgelser, hvilket betyder undersøgelser udført, når udstyret gennemgår kontrollerede ændringer i temperatur eller miljø under normale driftsforhold. I dette tilfælde udsatte Strzalka og hans kolleger det lysfølsomme materiale i solcellen for simuleret sollys, mens de holdt temperaturen konstant og observerede små sammentrækninger på atomniveau.

Som et kontroleksperiment holdt Strzalka og hans medforfattere rummet mørkt, øgede temperaturen og observerede den modsatte effekt - materialeudvidelse. Dette tyder på, at lyset i sig selv, ikke varmen, det genererer, forårsagede transformationen.

"For sådanne ændringer er det vigtigt at udføre operationel forskning," sagde Strzalka. "Ligesom din mekaniker vil køre din motor for at se, hvad der foregår i den, vil vi i bund og grund tage en video af denne konvertering, ikke et enkelt øjebliksbillede. Faciliteter som APS giver os mulighed for at gøre dette."

Strzalka påpegede, at APS gennemgår en betydelig opgradering for at øge lysstyrken af ​​sine røntgenstråler med op til 500 gange. Han sagde, at når det er afsluttet, vil lysere stråler og hurtigere, skarpere detektorer øge videnskabsmænds evne til at opdage disse ændringer med større følsomhed.

Dette kan hjælpe Rice-teamet med at justere materialet for bedre ydeevne. "Vi designer kationer og grænseflader for at opnå effektivitet på mere end 20%," sagde Sidhik. "Dette vil ændre alt på perovskite-området, for så vil folk begynde at bruge 2D perovskite til 2D perovskite/silicium og 2D/3D perovskite-serier, hvilket kan bringe effektiviteten tæt på 30%. Dette vil gøre dets kommercialisering attraktiv."