Ultravékony napelemek?

Ultravékony napelemek?

Ultravékony napelemek továbbfejlesztve: a 2D perovszkit vegyületek megfelelő anyagokkal rendelkeznek a terjedelmes termékek kivédésére.

A Rice Egyetem mérnökei új mércéket értek el a félvezető perovszkitokból készült, atomi léptékű vékony napelemek tervezésében, növelve hatékonyságukat, miközben megőrizték a környezettel szembeni ellenálló képességüket.

A Rice Egyetem George R Brown School of Engineering egyetemének Aditya Mohite laboratóriuma megállapította, hogy a napfény csökkenti az atomrétegek közötti teret egy kétdimenziós perovszkitban, ami elég ahhoz, hogy az anyag fotovoltaikus hatásfoka akár 18%-kal is megnőjön, ami gyakori előrelépés. . Fantasztikus ugrás történt a mezőnyben, százalékban mérve.

"10 év alatt a perovszkit hatékonysága körülbelül 3%-ról több mint 25%-ra nőtt" - mondta Mohite. "Más félvezetők megvalósítása körülbelül 60 évbe telik. Ezért vagyunk annyira izgatottak."

A perovskit egy köbös rácsos vegyület, és hatékony fénygyűjtő. Potenciájuk sok éve ismert, de van egy problémájuk: a napfényt energiává tudják alakítani, de a napfény és a nedvesség lerontja őket.

"A napelemes technológia várhatóan 20-25 évig fog működni" - mondta Mohite, a vegyi és biomolekuláris mérnöki, valamint az anyagtudományi és nanomérnöki docens. "Sok éve dolgozunk, és továbbra is nagy perovszkitokat használunk, amelyek nagyon hatékonyak, de nem túl stabilak. Ezzel szemben a kétdimenziós perovszkitok kiváló stabilitásúak, de nem elég hatékonyak ahhoz, hogy a tetőre helyezzék őket.

"A legnagyobb probléma az, hogy a stabilitás veszélyeztetése nélkül hatékonyak legyenek."
A Rice mérnökei és munkatársaik a Purdue Egyetemről és a Los Alamos-i Northwestern Egyetemről, az Argonne és Brookhaven-i Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Nemzeti Laboratóriumából, valamint a franciaországi Rennes-i Elektronikai és Digitális Technológiai Intézetből (INSA) és munkatársaik megállapították, hogy Néhány kétdimenziós perovszkit esetében a napfény hatékonyan csökkenti az atomok közötti teret, növelve az elektromos áram szállítási képességét.

"Azt találtuk, hogy amikor meggyújtja az anyagot, úgy összenyomja, mint egy szivacsot, és összegyűjti a rétegeket, hogy fokozza a töltés átvitelét abba az irányba" - mondta Mocht. A kutatók azt találták, hogy ha egy szerves kationréteget helyeznek el a felső jodid és az alsó ólom közé, az javíthatja a rétegek közötti kölcsönhatást.

"Ez a munka nagy jelentőséggel bír a gerjesztett állapotok és kvázirészecskék tanulmányozásában, ahol az egyik pozitív töltésréteg a másikon, a negatív töltés a másikon van, és beszélni tudnak egymással" - mondta Mocht. "Ezeket excitonoknak hívják, és egyedi tulajdonságaik lehetnek.

"Ez a hatás lehetővé teszi számunkra, hogy megértsük és módosítsuk ezeket az alapvető fény-anyag kölcsönhatásokat anélkül, hogy bonyolult heterostruktúrákat, például halmozott 2D átmenetifém-dikalkogenideket hoznánk létre" - mondta.

A francia kollégák számítógépes modellel erősítették meg a kísérletet. Jacky Even, az INSA fizikaprofesszora elmondta: "Ez a kutatás egyedülálló lehetőséget kínál a legfejlettebb ab initio szimulációs technológia, a nagyszabású nemzeti szinkrotronlétesítményeket használó anyagkutatás és a működő napelemek in situ jellemzésének kombinálására. ." "Ez a cikk először írja le, hogy a szivárgás jelensége hirtelen felszabadítja a töltőáramot a perovszkit anyagban."

Mindkét eredmény azt mutatja, hogy a szoláris szimulátor 10 perces napintenzitású expozíciója után a kétdimenziós perovszkit hossza mentén 0.4%-kal, felülről lefelé pedig körülbelül 1%-kal zsugorodik. Bebizonyították, hogy a hatás 1 percen belül látható öt napfény intenzitás mellett.

"Nem hangzik soknak, de a rácstávolság 1%-os zsugorodása az elektronáramlás jelentős növekedéséhez vezet" - mondta Li Wenbin, a Rice végzős hallgatója és társszerzője. "Kutatásunk azt mutatja, hogy az anyag elektronikus vezetése háromszorosára nőtt."

Ugyanakkor a kristályrács természete ellenállóvá teszi az anyagot a degradációval szemben, még akkor is, ha 80 Celsius-fokra (176 Fahrenheit-fok) hevítik. A kutatók azt is megállapították, hogy a rács gyorsan ellazul normál konfigurációjába, miután lekapcsolják a lámpákat.

"A 2D perovszkitek egyik fő vonzereje, hogy általában olyan szerves atomokat tartalmaznak, amelyek nedvességzáróként működnek, termikusan stabilak, és megoldják az ionvándorlási problémákat" - mondta Siraj Sidhik végzős hallgató és társvezető. "A 3D perovszkitek hajlamosak a hő- és fényinstabilitásra, ezért a kutatók elkezdtek 2D rétegeket helyezni a hatalmas perovszkitok tetejére, hogy megnézzék, ki tudják-e hozni mindkettőből a legtöbbet.

"Azt gondoljuk, váltsunk át 2D-re, és tegyük hatékonyabbá" - mondta.

Az anyag zsugorodásának megfigyelésére a csapat az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának (DOE) Tudományos Hivatalának két felhasználói létesítményét használta: az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Brookhaven Nemzeti Laboratóriumának II. Nemzeti szinkrotron fényforrását és az Advanced State Laboratoryt. az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Argonne Nemzeti Laboratóriuma. Fotonforrás (APS) Laboratórium.

Joe Strzalka, az Argonne fizikusa, a cikk társszerzője az APS ultra-fényes röntgensugarai segítségével valós időben rögzíti az anyagok kis szerkezeti változásait. Az APS nyalábvonal 8-ID-E pontján található érzékeny műszer lehetővé teszi az "üzemi" vizsgálatok elvégzését, ami olyan vizsgálatokat jelent, amelyeket akkor végeznek, amikor a berendezés szabályozott hőmérséklet- vagy környezetváltozáson megy keresztül normál működési körülmények között. Ebben az esetben Strzalka és munkatársai a napelemben lévő fényérzékeny anyagot szimulált napfénynek tették ki, miközben állandó hőmérsékletet tartottak, és apró összehúzódásokat figyeltek meg atomi szinten.

Kontrollkísérletként Strzalka és szerzőtársai sötétben tartották a helyiséget, növelték a hőmérsékletet, és az ellenkező hatást – az anyag tágulását – figyelték meg. Ez azt sugallja, hogy maga a fény, nem az általa termelt hő okozta az átalakulást.

"Az ilyen változásokhoz fontos az operatív kutatás elvégzése" - mondta Strzalka. "Ahogyan a szerelőd be akarja járatni a motort, hogy lássa, mi történik benne, mi is lényegében videót szeretnénk készíteni erről az átalakításról, nem pedig egyetlen pillanatfelvételt sem. Az olyan eszközök, mint az APS, lehetővé teszik számunkra ezt."

Strzalka rámutatott, hogy az APS jelentős fejlesztésen megy keresztül, hogy a röntgensugárzás fényerejét akár 500-szorosára növelje. Azt mondta, hogy ha elkészül, a fényesebb sugarak és a gyorsabb, élesebb detektorok növelik a tudósok azon képességét, hogy nagyobb érzékenységgel észleljék ezeket a változásokat.

Ez segíthet a Rice csapatának beállítani az anyagot a jobb teljesítmény érdekében. "A kationokat és interfészek tervezése során több mint 20%-os hatékonyságot érünk el" - mondta Sidhik. "Ez mindent megváltoztat a perovszkit területén, mert akkor az emberek elkezdik használni a 2D perovszkitot a 2D perovszkit/szilícium és a 2D/3D perovszkit sorozathoz, ami közel 30%-ot hozhat a hatékonysághoz. Ez vonzóvá teszi a kereskedelmi forgalomba hozatalát."