Ultratenké solárne články?

Ultratenké solárne články?

Vylepšené ultratenké solárne články: 2D perovskitové zlúčeniny majú vhodné materiály na to, aby čelili objemným výrobkom.

Inžinieri z Rice University dosiahli nové štandardy pri navrhovaní tenkých solárnych článkov v atómovom meradle vyrobených z polovodičových perovskitov, čím sa zvýšila ich účinnosť pri zachovaní ich schopnosti odolávať životnému prostrediu.

Laboratórium Aditya Mohite z Rice University George R Brown School of Engineering zistilo, že slnečné svetlo zmenšuje priestor medzi atómovými vrstvami v dvojrozmernom perovskite, čo je dostatočné na zvýšenie fotovoltaickej účinnosti materiálu až o 18 %, čo je častý pokrok. . Fantastický skok bol dosiahnutý v teréne a meraný v percentách.

"Za 10 rokov účinnosť perovskitu stúpla z približne 3% na viac ako 25%," povedal Mohite. "Dosiahnutie ostatných polovodičov bude trvať asi 60 rokov. Preto sme takí nadšení."

Perovskit je zlúčenina s kubickou mriežkou a je účinným zberačom svetla. Ich potenciál je známy už mnoho rokov, no majú problém: Dokážu premieňať slnečné svetlo na energiu, no slnečné svetlo a vlhkosť ich môžu znehodnotiť.

„Očakáva sa, že technológia solárnych článkov vydrží 20 až 25 rokov,“ povedal Mohite, docent chemického a biomolekulárneho inžinierstva a materiálovej vedy a nanoinžinierstva. "Pracujeme už mnoho rokov a naďalej používame veľké perovskity, ktoré sú veľmi efektívne, ale nie veľmi stabilné. Naproti tomu dvojrozmerné perovskity majú výbornú stabilitu, ale nie sú dostatočne účinné na to, aby sa dali umiestniť na strechu.

"Najväčším problémom je zefektívniť ich bez ohrozenia stability."
Inžinieri Rice a ich spolupracovníci z Purdue University a Northwestern University, Los Alamos, Argonne a Brookhaven z Národného laboratória ministerstva energetiky USA a Inštitútu elektroniky a digitálnych technológií (INSA) v Rennes vo Francúzsku a ich spolupracovníci zistili, že v r. niektoré dvojrozmerné perovskity slnečné svetlo efektívne zmenšuje priestor medzi atómami, čím sa zvyšuje ich schopnosť prenášať elektrický prúd.

"Zistili sme, že keď materiál zapálite, stlačíte ho ako špongiu a zhromažďujete vrstvy, aby ste zvýšili prenos náboja v tomto smere, " povedal Mocht. Vedci zistili, že umiestnenie vrstvy organických katiónov medzi jodid na vrchu a olovo na spodku môže zlepšiť interakciu medzi vrstvami.

"Táto práca má veľký význam pre štúdium excitovaných stavov a kvázičastíc, kde jedna vrstva kladného náboja je na druhej a záporná je na druhej a môžu sa navzájom rozprávať," povedal Mocht. „Tieto sa nazývajú excitóny a môžu mať jedinečné vlastnosti.

"Tento efekt nám umožňuje pochopiť a upraviť tieto základné interakcie medzi svetlom a hmotou bez vytvárania zložitých heteroštruktúr, ako sú skladané 2D dichalkogenidy prechodných kovov, " povedal.

Kolegovia vo Francúzsku potvrdili experiment s počítačovým modelom. Jacky Even, profesor fyziky na INSA, povedal: „Tento výskum poskytuje jedinečnú príležitosť spojiť najpokročilejšiu ab initio simulačnú technológiu, materiálový výskum využívajúci rozsiahle národné synchrotrónové zariadenia a in-situ charakterizáciu solárnych článkov v prevádzke. ." "Tento dokument po prvýkrát popisuje, ako fenomén priesaku náhle uvoľňuje nabíjací prúd v perovskitovom materiáli."

Oba výsledky ukazujú, že po 10 minútach vystavenia slnečnému simulátoru pri slnečnej intenzite sa dvojrozmerný perovskit zmenší o 0.4 % pozdĺž svojej dĺžky a asi o 1 % zhora nadol. Dokázali, že účinok možno vidieť do 1 minúty pri piatich intenzitách slnka.

"Neznie to veľa, ale 1% zmenšenie vzdialenosti mriežky spôsobí podstatné zvýšenie toku elektrónov," povedal Li Wenbin, postgraduálny študent v Rice a spoluautor. "Náš výskum ukazuje, že elektronické vedenie materiálu sa zvýšilo trojnásobne."

Povaha kryštálovej mriežky zároveň robí materiál odolným voči degradácii aj pri zahriatí na 80 stupňov Celzia (176 stupňov Fahrenheita). Vedci tiež zistili, že mriežka sa po zhasnutí svetiel rýchlo uvoľní späť do svojej štandardnej konfigurácie.

"Jednou z hlavných atrakcií 2D perovskitov je to, že zvyčajne majú organické atómy, ktoré pôsobia ako bariéry proti vlhkosti, sú tepelne stabilné a riešia problémy s migráciou iónov," povedal postgraduálny študent a spoluautor Siraj Sidhik. „3D perovskity sú náchylné na tepelnú a svetelnú nestabilitu, takže výskumníci začali dávať 2D vrstvy na masívne perovskity, aby zistili, či dokážu z oboch vyťažiť maximum.

"Myslíme si, že prepnime na 2D a zefektívnime to," povedal.

Na pozorovanie zmršťovania materiálu tím použil dve používateľské zariadenia Úradu vedy Ministerstva energetiky USA (DOE): Národný zdroj synchrotrónového svetla II Národného laboratória Brookhaven Ministerstva energetiky USA a Pokročilé štátne laboratórium Argonne National Laboratory ministerstva energetiky USA. Laboratórium zdroja fotónov (APS).

Fyzik z Argonne Joe Strzalka, spoluautor článku, používa ultrajasné röntgenové lúče APS na zachytenie malých štrukturálnych zmien v materiáloch v reálnom čase. Citlivý prístroj na 8-ID-E lúča APS umožňuje "prevádzkové" štúdie, čo znamená štúdie vykonávané, keď zariadenie podlieha kontrolovaným zmenám teploty alebo prostredia za normálnych prevádzkových podmienok. V tomto prípade Strzalka a jeho kolegovia vystavili fotosenzitívny materiál v solárnom článku simulovanému slnečnému žiareniu pri udržiavaní konštantnej teploty a pozorovali drobné kontrakcie na atómovej úrovni.

Ako kontrolný experiment Strzalka a jeho spoluautori udržiavali v miestnosti tmu, zvyšovali teplotu a pozorovali opačný efekt – expanziu materiálu. To naznačuje, že premenu spôsobilo samotné svetlo, nie teplo, ktoré vytvára.

"Pre takéto zmeny je dôležité urobiť operačný prieskum," povedal Strzalka. „Rovnako ako chce váš mechanik spustiť váš motor, aby videl, čo sa v ňom deje, aj my chceme v podstate nasnímať video z tejto konverzie, nie jediný záber. Zariadenia ako APS nám to umožňujú.“

Strzalka upozornil, že APS prechádza výraznou modernizáciou s cieľom zvýšiť jas svojich röntgenových lúčov až 500-násobne. Povedal, že keď bude dokončený, jasnejšie lúče a rýchlejšie, ostrejšie detektory zvýšia schopnosť vedcov odhaliť tieto zmeny s väčšou citlivosťou.

To môže pomôcť tímu Rice upraviť materiál pre lepší výkon. "Navrhujeme katióny a rozhrania, aby sme dosiahli účinnosť vyššiu ako 20%," povedal Sidhik. "Toto zmení všetko v oblasti perovskitu, pretože potom ľudia začnú používať 2D perovskit pre 2D perovskit / kremík a 2D / 3D perovskitové série, čo môže priniesť účinnosť takmer 30%. Vďaka tomu bude jeho komercializácia atraktívna."