Ultra tanke solarne ćelije?

Ultra tanke solarne ćelije?

Unaprijeđene ultra tanke solarne ćelije: 2D spojevi perovskita imaju prikladne materijale za izazivanje glomaznih proizvoda.

Inženjeri na Sveučilištu Rice postigli su nova mjerila u projektiranju tankih solarnih ćelija izrađenih od poluvodičkih perovskita u atomskom razmjeru, povećavajući njihovu učinkovitost uz zadržavanje njihove sposobnosti da izdrže okoliš.

Laboratorij Aditya Mohite sa Sveučilišta Rice George R Brown School of Engineering otkrio je da sunčeva svjetlost smanjuje prostor između atomskih slojeva u dvodimenzionalnom perovskitu, dovoljno da poveća fotonaponsku učinkovitost materijala za čak 18%, što je čest napredak . Ostvaren je fantastičan skok na terenu i mjeren u postocima.

"U 10 godina učinkovitost perovskita porasla je s oko 3% na više od 25%", rekao je Mohite. "Drugim poluvodičima trebat će oko 60 godina da postignu. Zato smo tako uzbuđeni."

Perovskit je spoj s kubičnom rešetkom i učinkovit je kolektor svjetlosti. Njihov potencijal je poznat već dugi niz godina, ali imaju problem: mogu pretvoriti sunčevu svjetlost u energiju, ali ih sunčeva svjetlost i vlaga mogu degradirati.

"Očekuje se da će tehnologija solarnih ćelija trajati 20 do 25 godina", rekao je Mohite, izvanredni profesor kemijskog i biomolekularnog inženjerstva te znanosti o materijalima i nanoinženjeringa. "Radimo dugi niz godina i nastavljamo koristiti velike perovskite koji su vrlo učinkoviti, ali ne baš stabilni. Nasuprot tome, dvodimenzionalni perovskiti imaju izvrsnu stabilnost, ali nisu dovoljno učinkoviti da bi se mogli postaviti na krov.

"Najveći je problem učiniti ih učinkovitima bez ugrožavanja stabilnosti."
Riceovi inženjeri i njihovi suradnici sa Sveučilišta Purdue i Sveučilišta Northwestern, Los Alamos, Argonne i Brookhaven iz Nacionalnog laboratorija američkog Ministarstva energetike i Instituta za elektroniku i digitalnu tehnologiju (INSA) u Rennesu, Francuska, i njihovi suradnici otkrili su da je u Neki dvodimenzionalni perovskiti, sunčeva svjetlost učinkovito sužava prostor između atoma, povećavajući njihovu sposobnost nošenja električne struje.

"Otkrili smo da kada zapalite materijal, stisnete ga poput spužve i skupite slojeve zajedno kako biste poboljšali prijenos naboja u tom smjeru", rekao je Mocht. Istraživači su otkrili da stavljanje sloja organskih kationa između jodida na vrhu i olova na dnu može poboljšati interakciju između slojeva.

"Ovaj rad je od velikog značaja za proučavanje pobuđenih stanja i kvazičestica, gdje je jedan sloj pozitivnog naboja na drugom, a negativni naboj na drugom, i oni mogu međusobno razgovarati", rekao je Mocht. "Oni se zovu ekscitoni i mogu imati jedinstvena svojstva.

"Ovaj nam učinak omogućuje razumijevanje i prilagođavanje ovih osnovnih interakcija svjetlosti i materije bez stvaranja složenih heterostruktura kao što su složeni 2D dihalkogenidi prijelaznih metala", rekao je.

Kolege u Francuskoj potvrdile su eksperiment računalnim modelom. Jacky Even, profesor fizike na INSA-i, rekao je: "Ovo istraživanje pruža jedinstvenu priliku za kombiniranje najnaprednije tehnologije ab initio simulacije, istraživanja materijala pomoću velikih nacionalnih sinkrotronskih postrojenja i in-situ karakterizacije solarnih ćelija u radu. Kombinirajte ." "Ovaj rad opisuje po prvi put kako fenomen procjeđivanja iznenada oslobađa struju punjenja u materijalu perovskita."

Oba rezultata pokazuju da se nakon 10 minuta izlaganja solarnom simulatoru pri sunčevom intenzitetu, dvodimenzionalni perovskit skuplja za 0.4% duž svoje duljine i oko 1% od vrha do dna. Dokazali su da se učinak može vidjeti unutar 1 minute pod pet intenziteta sunca.

"Ne zvuči puno, ali skupljanje razmaka između rešetke od 1% prouzročit će značajno povećanje protoka elektrona", rekao je Li Wenbin, student diplomskog studija Rice i suradnik. "Naše istraživanje pokazuje da se elektronska vodljivost materijala trostruko povećala."

Istodobno, priroda kristalne rešetke čini materijal otpornim na degradaciju, čak i kada se zagrije na 80 stupnjeva Celzija (176 stupnjeva Fahrenheita). Istraživači su također otkrili da se rešetka brzo opušta natrag u svoju standardnu ​​konfiguraciju nakon što se svjetla ugase.

"Jedna od glavnih atrakcija 2D perovskita je to što obično imaju organske atome koji djeluju kao barijera vlage, termički su stabilni i rješavaju probleme migracije iona", rekao je diplomirani student i suradnik autora Siraj Sidhik. "3D perovskiti skloni su toplinskoj i svjetlosnoj nestabilnosti, pa su istraživači počeli stavljati 2D slojeve na masivne perovskite kako bi vidjeli mogu li maksimalno iskoristiti oboje.

"Mislimo, prijeđimo na 2D i učinimo ga učinkovitim", rekao je.

Kako bi promatrao skupljanje materijala, tim je koristio dva korisnička postrojenja Ureda za znanost Ministarstva energetike SAD-a (DOE): Nacionalni sinkrotronski izvor svjetlosti II iz Brookhaven National Laboratory of US Department of Energy i Advanced State Laboratory of Nacionalni laboratorij Argonne američkog Ministarstva energetike. Laboratorij za izvor fotona (APS).

Argonne fizičar Joe Strzalka, koautor rada, koristi APS-ove ultra-svjetle X-zrake kako bi uhvatio male strukturne promjene u materijalima u stvarnom vremenu. Osjetljivi instrument na 8-ID-E APS snopa omogućuje "operativne" studije, što znači studije koje se provode kada oprema prolazi kroz kontrolirane promjene temperature ili okoline u normalnim radnim uvjetima. U ovom slučaju, Strzalka i njegovi kolege izložili su fotoosjetljivi materijal u solarnoj ćeliji simuliranoj sunčevoj svjetlosti dok su održavali konstantnu temperaturu i primijetili male kontrakcije na atomskoj razini.

Kao kontrolni eksperiment, Strzalka i njegovi koautori držali su prostoriju u mraku, povećavali temperaturu i uočili suprotan učinak - širenje materijala. To sugerira da je sama svjetlost, a ne toplina koju stvara, uzrok transformacije.

"Za takve promjene važno je provesti operativna istraživanja", rekao je Strzalka. "Baš kao što vaš mehaničar želi pokrenuti vaš motor da vidi što se u njemu događa, mi u biti želimo snimiti video ove pretvorbe, a ne niti jedan snimak. Objekti poput APS-a nam to omogućuju."

Strzalka je istaknuo da APS prolazi kroz značajnu nadogradnju kako bi povećao svjetlinu svojih X-zraka do 500 puta. Rekao je da će, kada se završi, svjetliji snopovi i brži, oštriji detektori povećati sposobnost znanstvenika da otkriju te promjene s većom osjetljivošću.

To može pomoći Rice timu da prilagodi materijal za bolju izvedbu. "Mi dizajniramo katione i sučelja kako bismo postigli učinkovitost veću od 20%", rekao je Sidhik. "Ovo će promijeniti sve na polju perovskita jer će tada ljudi početi koristiti 2D perovskit za 2D perovskit/silicij i 2D/3D perovskit serije, što može dovesti učinkovitost blizu 30%. To će njegovu komercijalizaciju učiniti privlačnom."