Üliõhukesed päikesepatareid?

Üliõhukesed päikesepatareid?

Täiustatud üliõhukesed päikesepatareid: 2D perovskiitühenditel on sobivad materjalid mahukate toodete vastu võitlemiseks.

Rice'i ülikooli insenerid on saavutanud uued etalonid pooljuhtperovskiitidest valmistatud aatommastaabis õhukeste päikesepatareide projekteerimisel, suurendades nende tõhusust, säilitades samal ajal nende vastupidavuse keskkonnale.

Rice'i ülikooli George R Browni insenerikooli Aditya Mohite laboratoorium leidis, et päikesevalgus kahandab kahemõõtmelise perovskiidi aatomikihtide vahelist ruumi, mis on piisav, et suurendada materjali fotogalvaanilist efektiivsust kuni 18%, mis on sagedane progress. . Väljakul on saavutatud fantastiline hüpe ja seda protsentides mõõdetuna.

"10 aastaga on perovskiidi efektiivsus hüppeliselt tõusnud umbes 3%-lt enam kui 25%-le," ütles Mohite. "Teiste pooljuhtide saavutamiseks kulub umbes 60 aastat. Seetõttu olemegi nii põnevil."

Perovskiit on kuupvõrega ühend ja on tõhus valguse koguja. Nende potentsiaal on olnud teada juba aastaid, kuid neil on probleem: nad võivad muuta päikesevalguse energiaks, kuid päikesevalgus ja niiskus võivad neid halvendada.

"Päikesepatareide tehnoloogia kestab eeldatavasti 20–25 aastat," ütles keemia- ja biomolekulaartehnika ning materjaliteaduse ja nanotehnoloogia dotsent Mohite. "Oleme töötanud palju aastaid ja kasutame jätkuvalt suuri perovskiite, mis on väga tõhusad, kuid mitte väga stabiilsed. Seevastu kahemõõtmelised perovskiidid on suurepärase stabiilsusega, kuid ei ole piisavalt tõhusad, et neid katusele panna.

"Suurim probleem on muuta need tõhusaks, ilma et see kahjustaks stabiilsust."
Rice'i insenerid ja nende kaastöötajad Purdue ülikoolist ja Northwesterni ülikoolist Los Alamosest, Argonne'ist ja Brookhavenist USA energeetikaministeeriumi riiklikust laborist ning Prantsusmaal Rennes'is asuvast elektroonika- ja digitaaltehnoloogia instituudist (INSA) ning nende kaastöötajad leidsid, et Mõnede kahemõõtmeliste perovskiitide puhul vähendab päikesevalgus tõhusalt aatomitevahelist ruumi, suurendades nende võimet kanda elektrivoolu.

"Leidsime, et materjali süütamisel pigistate seda nagu käsna ja koondate kihid kokku, et parandada laengu ülekandmist selles suunas," ütles Mocht. Teadlased leidsid, et orgaaniliste katioonide kihi asetamine ülemise jodiidi ja alumise plii vahele võib tõhustada kihtide vahelist koostoimet.

"Sellel tööl on suur tähtsus ergastatud olekute ja kvaasiosakeste uurimisel, kus üks positiivse laengu kiht on teisel ja negatiivne laeng teisel ning nad saavad omavahel rääkida," ütles Mocht. "Neid nimetatakse eksitoniteks ja neil võivad olla ainulaadsed omadused.

"See efekt võimaldab meil mõista ja kohandada neid põhilisi valgusaine interaktsioone, ilma et tekiks keerulisi heterostruktuure, nagu virnastatud 2D siirdemetalli dikalkogeniidid," ütles ta.

Kolleegid Prantsusmaal kinnitasid katset arvutimudeliga. INSA füüsikaprofessor Jacky Even ütles: "See uurimus annab ainulaadse võimaluse ühendada kõige arenenum ab initio simulatsioonitehnoloogia, materjaliuuringud, kasutades suuremahulisi riiklikke sünkrotroniseadmeid, ja töötavate päikesepatareide in situ iseloomustus. ." "See artikkel kirjeldab esimest korda, kuidas imbumisnähtus äkitselt vabastab perovskiitmaterjalis laadimisvoolu."

Mõlemad tulemused näitavad, et pärast 10-minutilist päikesesimulaatoriga kokkupuudet päikese intensiivsusega kahaneb kahemõõtmeline perovskiit kogu pikkuses 0.4% ja ülalt alla umbes 1%. Nad tõestasid, et viie päikese intensiivsuse korral võib efekti näha 1 minuti jooksul.

"See ei kõla kuigi palju, kuid võre vahekauguse 1% kahanemine põhjustab elektronide voolu märkimisväärset suurenemist," ütles Rice'i kraadiõppur ja kaasautor Li Wenbin. "Meie uuringud näitavad, et materjali elektrooniline juhtivus on kolmekordistunud."

Samal ajal muudab kristallvõre olemus materjali lagunemiskindlaks isegi siis, kui seda kuumutatakse temperatuurini 80 kraadi Celsiuse järgi (176 kraadi Fahrenheiti järgi). Teadlased leidsid ka, et võre lõdvestub kiiresti tagasi oma standardkonfiguratsioonile, kui tuled on välja lülitatud.

"2D-perovskiitide üks peamisi vaatamisväärsusi on see, et neil on tavaliselt orgaanilised aatomid, mis toimivad niiskustõkkena, on termiliselt stabiilsed ja lahendavad ioonide migratsiooniprobleeme," ütles kraadiõppur ja kaasautor Siraj Sidhik. "3D-perovskiidid on altid termilisele ja valguse ebastabiilsusele, nii et teadlased hakkasid massiivsete perovskiitide peale panema 2D-kihte, et näha, kas nad suudavad mõlemat maksimaalselt ära kasutada.

"Me mõtleme, et läheme lihtsalt 2D-le ja muudame selle tõhusaks," ütles ta.

Materjali kokkutõmbumise jälgimiseks kasutas töörühm USA energeetikaministeeriumi (DOE) teadusbüroo kahte kasutajarajatist: USA energeetikaministeeriumi Brookhaveni riikliku labori riiklikku sünkrotronvalgusallikat II ja riigi täiustatud laboratooriumi. USA energeetikaministeeriumi Argonne'i riiklikus laboris. Fotoniallika (APS) labor.

Argonne'i füüsik Joe Strzalka, paberi kaasautor, kasutab APS-i üliheledaid röntgenikiirgusid, et jäädvustada reaalajas materjalides esinevaid väikesi struktuurimuutusi. Tundlik mõõteriist APS-i valgusvihu 8-ID-E juures võimaldab "töötamisuuringuid", mis tähendab uuringuid, mis viiakse läbi siis, kui seadmetes toimuvad normaalsetes töötingimustes kontrollitud temperatuuri- või keskkonnamuutused. Sel juhul eksponeerisid Strzalka ja tema kolleegid päikesepatarei valgustundlikku materjali simuleeritud päikesevalgusele, hoides samal ajal temperatuuri konstantsena ja jälgides väikseid kokkutõmbeid aatomitasandil.

Kontrollkatsena hoidsid Strzalka ja tema kaasautorid ruumi pimedas, tõstsid temperatuuri ja täheldasid vastupidist efekti – materjali paisumist. See viitab sellele, et transformatsiooni põhjustas valgus ise, mitte selle tekitatud soojus.

"Selliste muudatuste jaoks on oluline teha operatiivuuringuid," ütles Strzalka. "Nii nagu teie mehaanik soovib teie mootorit käivitada, et näha, mis selles toimub, tahame me sisuliselt sellest konversioonist teha video, mitte ühe hetkepildi. Sellised seadmed nagu APS võimaldavad meil seda teha."

Strzalka märkis, et APS on läbimas märkimisväärset uuendust, et suurendada oma röntgenikiirte heledust kuni 500 korda. Ta ütles, et selle valmimisel suurendavad heledamad kiired ja kiiremad, teravamad detektorid teadlaste võimet neid muutusi suurema tundlikkusega tuvastada.

See võib aidata Rice'i meeskonnal materjali parema jõudluse saavutamiseks kohandada. "Me kavandame katioone ja liideseid, et saavutada rohkem kui 20% efektiivsus," ütles Sidhik. "See muudab perovskite valdkonnas kõike, sest siis hakkavad inimesed kasutama 2D-perovskiiti 2D-perovskite/räni ja 2D/3D-perovskite seeriate jaoks, mis võib viia efektiivsuse 30% lähedale. See muudab selle kommertsialiseerimise atraktiivseks."