Ultra tanke solarne ćelije?

Ultra tanke solarne ćelije?

Poboljšane ultra tanke solarne ćelije: 2D jedinjenja perovskita imaju odgovarajuće materijale da izazovu glomazne proizvode.

Inženjeri na Univerzitetu Rajs postigli su nove standarde u dizajniranju tankih solarnih ćelija napravljenih od poluprovodničkih perovskita, povećavajući njihovu efikasnost uz zadržavanje njihove sposobnosti da izdrže okolinu.

Laboratorija Aditya Mohite sa inženjerske škole George R Brown Univerziteta Rice otkrila je da sunčeva svjetlost smanjuje prostor između atomskih slojeva u dvodimenzionalnom perovskitu, dovoljno da poveća fotonaponsku efikasnost materijala za čak 18%, što je čest napredak. . Ostvaren je fantastičan skok na terenu koji se mjeri u procentima.

"Za 10 godina, efikasnost perovskita je porasla sa oko 3% na više od 25%", rekao je Mohite. "Drugim poluprovodnicima će biti potrebno oko 60 godina da postignu. Zato smo tako uzbuđeni."

Perovskit je spoj sa kubičnom rešetkom i efikasan je kolektor svjetlosti. Njihov potencijal je poznat već dugi niz godina, ali imaju problem: mogu pretvoriti sunčevu svjetlost u energiju, ali ih sunčeva svjetlost i vlaga mogu degradirati.

"Očekuje se da će tehnologija solarnih ćelija trajati 20 do 25 godina", rekao je Mohite, vanredni profesor hemijskog i biomolekularnog inženjerstva i nauke o materijalima i nanoinženjeringa. "Radimo već dugi niz godina i nastavljamo da koristimo velike perovskite koji su vrlo efikasni, ali ne baš stabilni. Nasuprot tome, dvodimenzionalni perovskiti imaju odličnu stabilnost, ali nisu dovoljno efikasni da bi se mogli postaviti na krov.

"Najveći problem je učiniti ih efikasnim bez ugrožavanja stabilnosti."
Riceovi inženjeri i njihovi saradnici sa Univerziteta Purdue i Univerziteta Northwestern, Los Alamos, Argonne i Brookhaven iz Nacionalne laboratorije američkog Ministarstva energetike i Instituta za elektroniku i digitalnu tehnologiju (INSA) u Rennesu, Francuska, i njihovi saradnici su otkrili da je u Neki dvodimenzionalni perovskiti, sunčeva svetlost efikasno sužava prostor između atoma, povećavajući njihovu sposobnost da nose električnu struju.

"Otkrili smo da kada zapalite materijal, stisnete ga poput sunđera i skupite slojeve zajedno kako biste poboljšali prijenos naboja u tom smjeru", rekao je Mocht. Istraživači su otkrili da postavljanje sloja organskih katjona između jodida na vrhu i olova na dnu može poboljšati interakciju između slojeva.

"Ovaj rad je od velikog značaja za proučavanje pobuđenih stanja i kvazičestica, gdje je jedan sloj pozitivnog naboja na drugom, a negativnog naboja na drugom, i oni mogu razgovarati jedni s drugima", rekao je Mocht. „Oni se zovu eksitoni i mogu imati jedinstvena svojstva.

"Ovaj efekat nam omogućava da razumijemo i prilagodimo ove osnovne interakcije svjetlosti i materije bez stvaranja složenih heterostruktura kao što su naslagani 2D dihalkogenidi prelaznih metala", rekao je.

Kolege u Francuskoj potvrdile su eksperiment sa kompjuterskim modelom. Jacky Even, profesor fizike na INSA-i, rekao je: "Ovo istraživanje pruža jedinstvenu priliku za kombinovanje najnaprednije tehnologije ab initio simulacije, istraživanja materijala pomoću velikih nacionalnih sinhrotronskih postrojenja i in-situ karakterizacije solarnih ćelija u radu. Kombinirajte ." "Ovaj rad opisuje po prvi put kako fenomen procjeđivanja iznenada oslobađa struju punjenja u materijalu perovskita."

Oba rezultata pokazuju da se nakon 10 minuta izlaganja solarnom simulatoru pri sunčevom intenzitetu, dvodimenzionalni perovskit skuplja za 0.4% po dužini i oko 1% od vrha do dna. Dokazali su da se efekat može vidjeti u roku od 1 minute pod pet intenziteta sunca.

"Ne zvuči mnogo, ali smanjenje razmaka između rešetki od 1% će uzrokovati značajno povećanje protoka elektrona", rekao je Li Wenbin, diplomirani student Ricea i suradnik autora. "Naše istraživanje pokazuje da se elektronska provodljivost materijala povećala tri puta."

U isto vrijeme, priroda kristalne rešetke čini materijal otpornim na degradaciju, čak i kada se zagrije na 80 stepeni Celzijusa (176 stepeni Farenhajta). Istraživači su također otkrili da se rešetka brzo opušta natrag u svoju standardnu ​​konfiguraciju nakon što se svjetla ugase.

"Jedna od glavnih atrakcija 2D perovskita je to što oni obično imaju organske atome koji djeluju kao barijera vlage, termički su stabilni i rješavaju probleme migracije jona", rekao je diplomirani student i suradnik autora Siraj Sidhik. „3D perovskiti su skloni toplotnoj i svetlosnoj nestabilnosti, pa su istraživači počeli da stavljaju 2D slojeve na masivne perovskite kako bi videli da li mogu da iskoriste oba.

"Mislimo, da se samo prebacimo na 2D i učinimo ga efikasnim", rekao je.

Da bi posmatrao skupljanje materijala, tim je koristio dva korisnička objekta Kancelarije za nauku Ministarstva energetike SAD (DOE): Nacionalni sinhrotronski izvor svetlosti II Nacionalne laboratorije Brookhaven pri Ministarstvu energetike SAD i Napredne državne laboratorije Nacionalna laboratorija Argonne američkog Ministarstva energetike. Laboratorija za izvor fotona (APS).

Argonne fizičar Joe Strzalka, koautor rada, koristi ultra-sjajne X-zrake APS-a kako bi uhvatio male strukturne promjene u materijalima u realnom vremenu. Osetljivi instrument na 8-ID-E APS beamline-a omogućava "operativne" studije, što znači studije koje se provode kada oprema prolazi kroz kontrolisane promene temperature ili okoline u normalnim radnim uslovima. U ovom slučaju, Strzalka i njegove kolege izložili su fotoosjetljivi materijal u solarnoj ćeliji simuliranoj sunčevoj svjetlosti dok su održavali konstantnu temperaturu i uočili male kontrakcije na atomskom nivou.

Kao kontrolni eksperiment, Strzalka i njegovi koautori držali su prostoriju tamnom, povećavali temperaturu i uočili suprotan efekat - širenje materijala. To sugerira da je sama svjetlost, a ne toplina koju stvara, izazvala transformaciju.

"Za takve promjene važno je provesti operativna istraživanja", rekao je Strzalka. "Baš kao što vaš mehaničar želi da pokrene vaš motor da vidi šta se dešava u njemu, mi u suštini želimo da snimimo video ove konverzije, a ne jedan snimak. Objekti kao što je APS nam omogućavaju da to uradimo."

Strzalka je istakao da APS prolazi kroz značajnu nadogradnju kako bi povećao svjetlinu svojih rendgenskih zraka do 500 puta. Rekao je da će, kada se završi, svjetliji snopovi i brži, oštriji detektori povećati sposobnost naučnika da otkriju ove promjene sa većom osjetljivošću.

Ovo može pomoći Rice timu da prilagodi materijal za bolje performanse. „Mi dizajniramo katione i interfejse kako bismo postigli efikasnost veću od 20%“, rekao je Sidhik. "Ovo će promijeniti sve na polju perovskita jer će tada ljudi početi koristiti 2D perovskit za 2D perovskit/silicijum i 2D/3D perovskit serije, što može dovesti do efikasnosti blizu 30%. To će njegovu komercijalizaciju učiniti privlačnom."