Ултратънки слънчеви клетки?

Ултратънки слънчеви клетки?

Подобрени ултра-тънки слънчеви клетки: 2D перовскитните съединения имат подходящи материали, за да се противопоставят на обемисти продукти.

Инженерите от университета Райс са постигнали нови еталони в проектирането на тънки слънчеви клетки в атомен мащаб, изработени от полупроводникови перовскити, повишавайки тяхната ефективност, като същевременно запазват способността си да издържат на околната среда.

Лабораторията на Aditya Mohite от Инженерното училище Джордж Р. Браун към Университета Райс установи, че слънчевата светлина свива пространството между атомните слоеве в двуизмерен перовскит, достатъчно, за да увеличи фотоволтаичната ефективност на материала с цели 18%, което е чест напредък. . Постигнат е фантастичен скок в областта и се измерва в проценти.

„За 10 години ефективността на перовскита се е повишила от около 3% до повече от 25%“, каза Мохите. "На други полупроводници ще са необходими около 60 години, за да постигнат. Ето защо сме толкова развълнувани."

Перовскитът е съединение с кубична решетка и е ефективен светлинен колектор. Техният потенциал е известен от много години, но те имат проблем: те могат да преобразуват слънчевата светлина в енергия, но слънчевата светлина и влагата могат да ги разградят.

„Очаква се технологията на слънчевите клетки да продължи 20 до 25 години“, каза Мохите, доцент по химическо и биомолекулно инженерство и наука за материалите и наноинженерство. „Работим от много години и продължаваме да използваме големи перовскити, които са много ефективни, но не много стабилни. За разлика от тях, двуизмерните перовскити имат отлична стабилност, но не са достатъчно ефективни, за да бъдат поставени на покрива.

"Най-големият проблем е да ги направим ефективни, без да компрометират стабилността."
Инженерите на Райс и техните сътрудници от университета Пърдю и Северозападния университет, Лос Аламос, Аргон и Брукхейвън от Националната лаборатория на Министерството на енергетиката на САЩ и Института по електроника и цифрови технологии (INSA) в Рен, Франция, и техните сътрудници откриха, че In някои двуизмерни перовскити, слънчевата светлина ефективно свива пространството между атомите, увеличавайки способността им да пренасят електрически ток.

„Открихме, че когато запалите материала, го стискате като гъба и събирате слоевете заедно, за да подобрите преноса на заряда в тази посока“, каза Мохт. Изследователите открили, че поставянето на слой от органични катиони между йодида отгоре и оловото на дъното може да подобри взаимодействието между слоевете.

„Тази работа е от голямо значение за изследването на възбудените състояния и квазичастиците, където един слой положителен заряд е върху другия, а отрицателният заряд е върху другия и те могат да говорят помежду си“, каза Мохт. „Те се наричат ​​екситони и могат да имат уникални свойства.

„Този ​​ефект ни позволява да разберем и коригираме тези основни взаимодействия светлина-материя, без да създаваме сложни хетероструктури като подредени 2D дихалкогениди на преходни метали“, каза той.

Колегите във Франция потвърдиха експеримента с компютърен модел. Джаки Ивен, професор по физика в INSA, каза: „Това изследване предоставя уникална възможност за комбиниране на най-модерната технология за симулация ab initio, изследване на материалите с помощта на мащабни национални синхротронни съоръжения и in situ характеризиране на слънчеви клетки в експлоатация. Комбинирайте " "Този документ описва за първи път как феноменът на просмукване внезапно освобождава зарядния ток в перовскитния материал."

И двата резултата показват, че след 10 минути излагане на слънчевия симулатор при слънчева интензивност, двуизмерният перовскит се свива с 0.4% по дължината си и с около 1% отгоре надолу. Те доказаха, че ефектът може да се види в рамките на 1 минута при пет интензитета на слънцето.

"Не звучи много, но 1% свиване на разстоянието между решетката ще доведе до значително увеличение на потока на електрони", каза Ли Уенбин, завършил студент в Rice и съ-водещ автор. "Нашето изследване показва, че електронната проводимост на материала се е увеличила три пъти."

В същото време естеството на кристалната решетка прави материала устойчив на разграждане, дори когато се нагрява до 80 градуса по Целзий (176 градуса по Фаренхайт). Изследователите също така откриха, че решетката бързо се отпуска обратно към стандартната си конфигурация, след като светлините са изключени.

„Една от основните атракции на 2D перовскитите е, че те обикновено имат органични атоми, които действат като бариери за влажност, са термично стабилни и решават проблемите с миграцията на йони“, каза студентът и съавторът Сирадж Сидхик. „3D перовскитите са склонни към термична и светлинна нестабилност, така че изследователите започнаха да поставят 2D слоеве върху масивни перовскити, за да видят дали могат да се възползват максимално от двете.

„Мислим, че просто да преминем към 2D и да го направим ефективно“, каза той.

За да наблюдава свиването на материала, екипът използва две потребителски съоръжения на Службата на науката на Министерството на енергетиката на САЩ (DOE): Националния синхротронен източник на светлина II на Националната лаборатория в Брукхейвън на Министерството на енергетиката на САЩ и Разширената държавна лаборатория на Националната лаборатория в Аргон на Министерството на енергетиката на САЩ. Лаборатория за фотонен източник (APS).

Физикът от Аргон Джо Стжалка, съавтор на статията, използва ултраярките рентгенови лъчи на APS, за да улови малки структурни промени в материалите в реално време. Чувствителният инструмент на 8-ID-E на APS лъчовата линия позволява "оперативни" изследвания, което означава изследвания, провеждани, когато оборудването претърпява контролирани промени в температурата или околната среда при нормални работни условия. В този случай Strzalka и неговите колеги изложиха фоточувствителния материал в слънчевата клетка на симулирана слънчева светлина, като същевременно поддържаха температурата постоянна и наблюдаваха малки контракции на атомно ниво.

Като контролен експеримент Стжалка и неговите съавтори поддържат стаята тъмна, повишават температурата и наблюдават обратния ефект - разширяване на материала. Това предполага, че самата светлина, а не топлината, която генерира, е причинила трансформацията.

„За такива промени е важно да се провеждат оперативни изследвания“, каза Стжалка. „Точно както вашият механик иска да задейства вашия двигател, за да види какво се случва в него, ние по същество искаме да направим видео на това преобразуване, а не нито една моментна снимка. Съоръжения като APS ни позволяват да направим това.“

Strzalka посочи, че APS претърпява значително надграждане, за да увеличи яркостта на своите рентгенови лъчи до 500 пъти. Той каза, че когато бъде завършен, по-ярките лъчи и по-бързите, по-резки детектори ще увеличат способността на учените да откриват тези промени с по-голяма чувствителност.

Това може да помогне на екипа на Rice да коригира материала за по-добро представяне. „Ние проектираме катиони и интерфейси, за да постигнем ефективност от повече от 20%“, каза Сидхик. "Това ще промени всичко в областта на перовскита, защото тогава хората ще започнат да използват 2D перовскит за сериите 2D перовскит/силиций и 2D/3D перовскит, което може да доведе ефективността близо до 30%. Това ще направи комерсиализацията му привлекателна."