Ultratenké solární články?

Ultratenké solární články?

Ultratenké solární články byly vylepšeny: 2D perovskitové sloučeniny mají vhodné materiály, aby zpochybnily objemné produkty.

Inženýři z Rice University dosáhli nových měřítek při navrhování tenkých solárních článků v atomovém měřítku vyrobených z polovodičových perovskitů, čímž se zvýšila jejich účinnost při zachování jejich schopnosti odolat prostředí.

Laboratoř Aditya Mohite z Rice University George R Brown School of Engineering zjistila, že sluneční světlo zmenšuje prostor mezi atomovými vrstvami ve dvourozměrném perovskitu, což je dostatečné pro zvýšení fotovoltaické účinnosti materiálu až o 18 %, což je častý pokrok. . V poli bylo dosaženo fantastického skoku a měřeno v procentech.

"Za 10 let se účinnost perovskitu vyšplhala z přibližně 3 % na více než 25 %," řekl Mohite. "Dosažení ostatních polovodičů bude trvat asi 60 let. Proto jsme tak nadšení."

Perovskit je sloučenina s kubickou mřížkou a je účinným kolektorem světla. Jejich potenciál je znám již mnoho let, ale mají problém: Dokážou přeměnit sluneční světlo na energii, ale sluneční záření a vlhkost je mohou znehodnotit.

"Očekává se, že technologie solárních článků vydrží 20 až 25 let," řekl Mohite, docent chemického a biomolekulárního inženýrství a materiálové vědy a nanoinženýrství. "Pracujeme již mnoho let a nadále používáme velké perovskity, které jsou velmi účinné, ale ne příliš stabilní. Naproti tomu dvourozměrné perovskity mají vynikající stabilitu, ale nejsou dostatečně účinné, aby je bylo možné umístit na střechu."

"Největším problémem je udělat je efektivně, aniž by byla ohrožena stabilita."
Inženýři Rice a jejich spolupracovníci z Purdue University a Northwestern University, Los Alamos, Argonne a Brookhaven z Národní laboratoře amerického ministerstva energetiky a Institutu elektroniky a digitální technologie (INSA) v Rennes ve Francii a jejich spolupracovníci zjistili, že v u některých dvourozměrných perovskitů sluneční světlo efektivně zmenšuje prostor mezi atomy a zvyšuje jejich schopnost přenášet elektrický proud.

"Zjistili jsme, že když materiál zapálíte, zmáčknete ho jako houbu a shromáždíte vrstvy k sobě, abyste zvýšili přenos náboje v tomto směru," řekl Mocht. Vědci zjistili, že umístění vrstvy organických kationtů mezi jodid na horní straně a olovo na spodní straně může zlepšit interakci mezi vrstvami.

"Tato práce má velký význam pro studium excitovaných stavů a ​​kvazičástic, kde jedna vrstva kladného náboje je na druhé a záporný náboj je na druhé a mohou spolu mluvit," řekl Mocht. "Tyto se nazývají excitony a mohou mít jedinečné vlastnosti.

"Tento efekt nám umožňuje porozumět a upravit tyto základní interakce světla a hmoty bez vytváření složitých heterostruktur, jako jsou naskládané 2D dichalkogenidy přechodných kovů," řekl.

Kolegové ve Francii experiment potvrdili s počítačovým modelem. Jacky Even, profesor fyziky na INSA, řekl: "Tento výzkum poskytuje jedinečnou příležitost zkombinovat nejpokročilejší ab initio simulační technologii, materiálový výzkum pomocí rozsáhlých národních synchrotronových zařízení a in-situ charakterizaci solárních článků v provozu. Kombinujte ." "Tento dokument poprvé popisuje, jak jev průsaku náhle uvolňuje nabíjecí proud v perovskitovém materiálu."

Oba výsledky ukazují, že po 10 minutách působení slunečního simulátoru při sluneční intenzitě se dvourozměrný perovskit zmenší o 0.4 % po své délce a asi o 1 % shora dolů. Prokázali, že účinek lze pozorovat do 1 minuty při pěti intenzitách slunce.

"Nezní to moc, ale 1% zmenšení vzdálenosti mřížky způsobí podstatné zvýšení toku elektronů," řekl Li Wenbin, postgraduální student v Rice a spoluautor. "Náš výzkum ukazuje, že elektronické vedení materiálu se zvýšilo trojnásobně."

Povaha krystalové mřížky zároveň činí materiál odolným vůči degradaci, a to i při zahřátí na 80 stupňů Celsia (176 stupňů Fahrenheita). Výzkumníci také zjistili, že mřížka se po zhasnutí světel rychle uvolní zpět do své standardní konfigurace.

"Jednou z hlavních atrakcí 2D perovskitů je to, že obvykle mají organické atomy, které fungují jako bariéry proti vlhkosti, jsou tepelně stabilní a řeší problémy s migrací iontů," řekl postgraduální student a spoluautor Siraj Sidhik. „3D perovskity jsou náchylné k tepelné a světelné nestabilitě, takže vědci začali na masivní perovskity dávat 2D vrstvy, aby zjistili, zda dokážou z obou vytěžit maximum.

"Myslíme si, že přejdeme na 2D a zefektivníme to," řekl.

K pozorování smrštění materiálu použil tým dvě uživatelská zařízení Úřadu vědy amerického ministerstva energetiky (DOE): Národní synchrotronový světelný zdroj II z Brookhavenské národní laboratoře ministerstva energetiky USA a pokročilá státní laboratoř USA. Argonne National Laboratory amerického ministerstva energetiky. Laboratoř zdroje fotonů (APS).

Fyzik Argonne Joe Strzalka, spoluautor článku, používá ultrajasné rentgenové záření APS k zachycení malých strukturálních změn v materiálech v reálném čase. Citlivý přístroj na 8-ID-E paprsku APS umožňuje „provozní“ studie, což znamená studie prováděné, když zařízení prochází kontrolovanými změnami teploty nebo prostředí za normálních provozních podmínek. V tomto případě Strzalka a jeho kolegové vystavili fotocitlivý materiál v solárním článku simulovanému slunečnímu záření při udržování konstantní teploty a pozorovali drobné kontrakce na atomární úrovni.

Jako kontrolní experiment Strzalka a jeho spoluautoři udržovali v místnosti tmu, zvyšovali teplotu a pozorovali opačný efekt – expanzi materiálu. To naznačuje, že transformaci způsobilo samotné světlo, nikoli teplo, které generuje.

"Pro takové změny je důležité provést operační průzkum," řekl Strzalka. "Stejně jako chce váš mechanik spustit váš motor, aby viděl, co se v něm děje, my chceme v podstatě pořídit video z této konverze, ne jediný snímek. Zařízení jako APS nám to umožňují."

Strzalka upozornil, že APS prochází výrazným upgradem, který má zvýšit jas svých rentgenových paprsků až 500krát. Řekl, že až bude dokončen, jasnější paprsky a rychlejší, ostřejší detektory zvýší schopnost vědců detekovat tyto změny s větší citlivostí.

To může pomoci týmu Rice upravit materiál pro lepší výkon. "Navrhujeme kationty a rozhraní, abychom dosáhli účinnosti více než 20%," řekl Sidhik. "To změní vše v oblasti perovskitu, protože pak lidé začnou používat 2D perovskit pro 2D perovskit/křemík a 2D/3D perovskitové řady, což může přinést účinnost blízko 30 %. Díky tomu bude jeho komercializace atraktivní."