Celule solare ultra-subțiri?

Celule solare ultra-subțiri?

Celule solare ultra-subțiri îmbunătățite: compușii de perovskit 2D au materialele potrivite pentru a provoca produse voluminoase.

Inginerii de la Universitatea Rice au atins noi puncte de referință în proiectarea celulelor solare subțiri la scară atomică realizate din perovskiți semiconductori, crescându-le eficiența, menținând în același timp capacitatea de a rezista la mediu.

Laboratorul Aditya Mohite al Școlii de Inginerie George R Brown de la Universitatea Rice a descoperit că lumina soarelui micșorează spațiul dintre straturile atomice într-un perovskit bidimensional, suficient pentru a crește eficiența fotovoltaică a materialului cu până la 18%, ceea ce reprezintă un progres frecvent. . S-a realizat un salt fantastic în teren și măsurat în procente.

„În 10 ani, eficiența perovskitului a crescut de la aproximativ 3% la mai mult de 25%”, a spus Mohite. „Alți semiconductori vor dura aproximativ 60 de ani pentru a se realiza. De aceea suntem atât de încântați”.

Perovskitul este un compus cu o rețea cubică și este un colector eficient de lumină. Potențialul lor este cunoscut de mulți ani, dar au o problemă: pot transforma lumina solară în energie, dar lumina soarelui și umiditatea le pot degrada.

„Tehnologia celulelor solare este de așteptat să dureze între 20 și 25 de ani”, a spus Mohite, profesor asociat de inginerie chimică și biomoleculară și știința materialelor și nanoinginerie. „Lucrăm de mulți ani și continuăm să folosim perovskiți mari care sunt foarte eficiente, dar nu foarte stabili. În schimb, perovskiții bidimensionali au o stabilitate excelentă, dar nu sunt suficient de eficienți pentru a fi plasați pe acoperiș.

„Cea mai mare problemă este să le facem eficiente fără a compromite stabilitatea”.
Inginerii Rice și colaboratorii lor de la Universitatea Purdue și Universitatea Northwestern, Los Alamos, Argonne și Brookhaven de la Laboratorul Național al Departamentului de Energie al SUA și Institutul de Electronică și Tehnologie Digitală (INSA) din Rennes, Franța, și colaboratorii lor au descoperit că în unele perovskiți bidimensionali, lumina soarelui micșorează efectiv spațiul dintre atomi, crescând capacitatea acestora de a transporta curent electric.

„Am descoperit că atunci când aprindeți materialul, îl strângeți ca pe un burete și adunați straturile împreună pentru a îmbunătăți transferul de sarcină în acea direcție”, a spus Mocht. Cercetătorii au descoperit că plasarea unui strat de cationi organici între iodură în partea de sus și plumb în partea de jos poate îmbunătăți interacțiunea dintre straturi.

„Această lucrare este de mare importanță pentru studiul stărilor excitate și al cvasiparticulelor, în care un strat de sarcină pozitivă este pe celălalt, iar sarcina negativă este pe celălalt, iar acestea pot vorbi între ele”, a spus Mocht. „Aceștia se numesc excitoni și pot avea proprietăți unice.

„Acest efect ne permite să înțelegem și să ajustam aceste interacțiuni de bază lumină-materie fără a crea heterostructuri complexe, cum ar fi dicalcogenurile de metal de tranziție 2D stivuite”, a spus el.

Colegii din Franța au confirmat experimentul cu un model computerizat. Jacky Even, profesor de fizică la INSA, a declarat: „Această cercetare oferă o oportunitate unică de a combina cea mai avansată tehnologie de simulare ab initio, cercetarea materialelor folosind instalații naționale de sincrotron la scară largă și caracterizarea in situ a celulelor solare în funcțiune. ." „Această lucrare descrie pentru prima dată modul în care fenomenul de infiltrație eliberează brusc curentul de încărcare din materialul perovskit”.

Ambele rezultate arată că, după 10 minute de expunere la simulatorul solar la o intensitate solară, perovskitul bidimensional se micșorează cu 0.4% pe lungimea sa și cu aproximativ 1% de sus în jos. Ei au demonstrat că efectul poate fi observat în decurs de 1 minut sub cinci intensități solare.

„Nu pare prea mult, dar o micșorare de 1% a spațierii rețelei va determina o creștere substanțială a fluxului de electroni”, a spus Li Wenbin, student absolvent în Rice și co-autor principal. „Cercetarea noastră arată că conducerea electronică a materialului a crescut de trei ori”.

În același timp, natura rețelei cristaline face ca materialul să fie rezistent la degradare, chiar și atunci când este încălzit la 80 de grade Celsius (176 de grade Fahrenheit). Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că zăbrelele se relaxează rapid înapoi la configurația sa standard odată ce luminile sunt stinse.

„Una dintre principalele atracții ale perovskiților 2D este că de obicei au atomi organici care acționează ca bariere de umiditate, sunt stabile termic și rezolvă problemele de migrare a ionilor”, a spus studentul absolvent și co-autorul principal Siraj Sidhik. „Perovskiții 3D sunt predispuși la instabilitate termică și luminoasă, așa că cercetătorii au început să pună straturi 2D deasupra perovskiților masivi pentru a vedea dacă pot profita la maximum de ambele.

„Ne gândim, să trecem la 2D și să-l facem eficient”, a spus el.

Pentru a observa contracția materialului, echipa a folosit două facilități pentru utilizatori ale Biroului de Știință al Departamentului de Energie al SUA (DOE): Sursa Națională de Lumină Sincrotron II a Laboratorului Național Brookhaven al Departamentului de Energie al SUA și Laboratorul de Stat Avansat din Laboratorul Național Argonne al Departamentului de Energie al SUA. Laboratorul sursă de fotoni (APS).

Fizicianul Argonne Joe Strzalka, co-autorul lucrării, folosește razele X ultra-luminoase ale APS pentru a surprinde mici modificări structurale ale materialelor în timp real. Instrumentul sensibil de la 8-ID-E al liniei de lumină APS permite studii „operaționale”, ceea ce înseamnă studii efectuate atunci când echipamentul suferă modificări controlate de temperatură sau mediu în condiții normale de funcționare. În acest caz, Strzalka și colegii săi au expus materialul fotosensibil din celula solară la lumina solară simulată, menținând în același timp temperatura constantă și au observat contracții minuscule la nivel atomic.

Ca experiment de control, Strzalka și coautorii săi au păstrat camera întunecată, au crescut temperatura și au observat efectul opus - expansiunea materialului. Acest lucru sugerează că lumina în sine, nu căldura pe care o generează, a cauzat transformarea.

„Pentru astfel de schimbări, este important să se efectueze cercetări operaționale”, a spus Strzalka. „La fel cum mecanicul tău vrea să pornească motorul tău pentru a vedea ce se întâmplă în el, în esență vrem să facem un videoclip al acestei conversii, nu un singur instantaneu. Facilități precum APS ne permit să facem asta.”

Strzalka a subliniat că APS trece printr-o actualizare semnificativă pentru a crește luminozitatea razelor sale X de până la 500 de ori. El a spus că atunci când va fi finalizat, fasciculele mai strălucitoare și detectoarele mai rapide și mai ascuțite vor crește capacitatea oamenilor de știință de a detecta aceste schimbări cu o sensibilitate mai mare.

Acest lucru poate ajuta echipa Rice să ajusteze materialul pentru o performanță mai bună. „Proiectăm cationi și interfețe pentru a obține eficiențe de peste 20%”, a spus Sidhik. „Acest lucru va schimba totul în domeniul perovskit, deoarece atunci oamenii vor începe să folosească perovskitul 2D pentru seriile de perovskit/siliciu 2D și perovskit 2D/3D, ceea ce poate aduce eficiența aproape de 30%. Acest lucru va face ca comercializarea sa să fie atractivă”.