Ultratynne solceller?

Ultratynne solceller?

Ultratynne solceller forbedret: 2D perovskittforbindelser har de egnede materialene for å utfordre klumpete produkter.

Ingeniører ved Rice University har oppnådd nye standarder når det gjelder utforming av tynne solceller i atomskala laget av halvlederperovskitter, noe som øker effektiviteten samtidig som de opprettholder deres evne til å tåle miljøet.

Aditya Mohite-laboratoriet ved Rice Universitys George R Brown School of Engineering fant at sollys krymper rommet mellom atomlagene i en todimensjonal perovskitt, nok til å øke den fotovoltaiske effektiviteten til materialet med så mye som 18 %, som er hyppig fremgang. . Et fantastisk sprang er oppnådd i feltet og målt i prosent.

"På 10 år har effektiviteten til perovskitt steget fra omtrent 3% til mer enn 25%," sa Mohite. "Andre halvledere vil ta omtrent 60 år å oppnå. Det er derfor vi er så begeistret."

Perovskite er en blanding med et kubisk gitter og er en effektiv lyssamler. Potensialet deres har vært kjent i mange år, men de har et problem: De kan omdanne sollys til energi, men sollys og fuktighet kan degradere dem.

"Solcelleteknologi forventes å vare i 20 til 25 år," sa Mohite, førsteamanuensis i kjemisk og biomolekylær ingeniørvitenskap og materialvitenskap og nanoteknikk. "Vi har jobbet i mange år og fortsetter å bruke store perovskitter som er veldig effektive, men ikke veldig stabile. I motsetning til dette har todimensjonale perovskitter utmerket stabilitet, men er ikke effektive nok til å plasseres på taket.

"Det største problemet er å gjøre dem effektive uten å gå på akkord med stabiliteten."
Rice-ingeniørene og deres samarbeidspartnere 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, Frankrike, og deres samarbeidspartnere fant at I noen todimensjonale perovskitter, krymper sollys effektivt rommet mellom atomer, noe som øker deres evne til å føre elektrisk strøm.

"Vi fant ut at når du tenner materialet, klemmer du det som en svamp og samler lagene sammen for å forbedre ladningsoverføringen i den retningen," sa Mocht. Forskerne fant at å plassere et lag med organiske kationer mellom jodidet på toppen og blyet på bunnen kan forbedre interaksjonen mellom lagene.

"Dette arbeidet er av stor betydning for studiet av eksiterte tilstander og kvasipartikler, der ett lag med positiv ladning er på den andre, og den negative ladningen er på den andre, og de kan snakke med hverandre," sa Mocht. "Disse kalles eksitoner, og de kan ha unike egenskaper.

"Denne effekten lar oss forstå og justere disse grunnleggende lys-materie-interaksjonene uten å skape komplekse heterostrukturer som stablede 2D-overgangsmetall-dikalkogenider," sa han.

Kolleger i Frankrike bekreftet eksperimentet med en datamodell. Jacky Even, professor i fysikk ved INSA, sa: "Denne forskningen gir en unik mulighet til å kombinere den mest avanserte ab initio simuleringsteknologien, materialforskning ved bruk av store nasjonale synkrotronanlegg og in-situ karakterisering av solceller i drift. Kombiner ." "Dette papiret beskriver for første gang hvordan sivningsfenomenet plutselig frigjør ladestrømmen i perovskittmaterialet."

Begge resultatene viser at etter 10 minutters eksponering for solsimulatoren ved en solintensitet, krymper den todimensjonale perovskitten med 0.4 % langs lengden og omtrent 1 % fra topp til bunn. De beviste at effekten kunne sees innen 1 minutt under fem solintensiteter.

"Det høres ikke så mye ut, men en 1% krymping av gitteravstanden vil føre til en betydelig økning i elektronstrømmen," sa Li Wenbin, en doktorgradsstudent i Rice og medhovedforfatter. "Vår forskning viser at den elektroniske ledningen av materialet er tredoblet."

Samtidig gjør naturen til krystallgitteret materialet motstandsdyktig mot nedbrytning, selv når det varmes opp til 80 grader Celsius (176 grader Fahrenheit). Forskerne fant også at gitteret raskt slapper av tilbake til standardkonfigurasjonen når lysene er slått av.

"En av hovedattraksjonene til 2D perovskitter er at de vanligvis har organiske atomer som fungerer som fuktighetsbarrierer, er termisk stabile og løser ionemigrasjonsproblemer," sa doktorgradsstudent og medforfatter Siraj Sidhik. "3D-perovskitter er utsatt for termisk og lys ustabilitet, så forskere begynte å legge 2D-lag på toppen av massive perovskitter for å se om de kunne få mest mulig ut av begge deler.

"Vi tenker, la oss bare bytte til 2D og gjøre det effektivt," sa han.

For å observere krympingen av materialet brukte teamet to brukerfasiliteter ved US Department of Energy (DOE) Office of Science: National Synchrotron Light Source II ved Brookhaven National Laboratory ved US Department of Energy og Advanced State Laboratory of det amerikanske energidepartementets Argonne National Laboratory. Fotonkilde (APS) Laboratorium.

Argonne-fysiker Joe Strzalka, avisens medforfatter, bruker APS sine ultralyse røntgenstråler for å fange opp små strukturelle endringer i materialer i sanntid. Det følsomme instrumentet ved 8-ID-E av APS-strålelinjen tillater "operative" studier, som betyr studier utført når utstyret gjennomgår kontrollerte endringer i temperatur eller miljø under normale driftsforhold. I dette tilfellet eksponerte Strzalka og kollegene det fotosensitive materialet i solcellen for simulert sollys mens de holdt temperaturen konstant og observerte små sammentrekninger på atomnivå.

Som et kontrolleksperiment holdt Strzalka og hans medforfattere rommet mørkt, økte temperaturen og observerte den motsatte effekten - materialutvidelse. Dette antyder at lyset i seg selv, ikke varmen det genererer, forårsaket transformasjonen.

"For slike endringer er det viktig å utføre operasjonell forskning," sa Strzalka. "Akkurat som mekanikeren din ønsker å kjøre motoren din for å se hva som skjer i den, ønsker vi i hovedsak å ta en video av denne konverteringen, ikke et enkelt øyeblikksbilde. Fasiliteter som APS lar oss gjøre dette."

Strzalka påpekte at APS gjennomgår en betydelig oppgradering for å øke lysstyrken på røntgenstrålene med opptil 500 ganger. Han sa at når den er fullført, vil lysere stråler og raskere, skarpere detektorer øke forskernes evne til å oppdage disse endringene med større følsomhet.

Dette kan hjelpe Rice-teamet med å justere materialet for bedre ytelse. "Vi designer kationer og grensesnitt for å oppnå effektiviteter på mer enn 20%," sa Sidhik. "Dette vil endre alt innen perovskitt-feltet, for da vil folk begynne å bruke 2D-perovskitt for 2D-perovskitt/silisium- og 2D/3D-perovskitt-serien, noe som kan bringe effektiviteten opp mot 30%. Dette vil gjøre kommersialiseringen attraktiv."