Εξαιρετικά λεπτά ηλιακά κύτταρα;

Εξαιρετικά λεπτά ηλιακά κύτταρα;

Βελτιωμένα εξαιρετικά λεπτά ηλιακά κύτταρα: Οι 2D ενώσεις περοβσκίτη έχουν τα κατάλληλα υλικά για να προκαλέσουν ογκώδη προϊόντα.

Οι μηχανικοί στο Πανεπιστήμιο Rice έχουν επιτύχει νέα σημεία αναφοράς στο σχεδιασμό λεπτών ηλιακών κυψελών ατομικής κλίμακας από περοβσκίτες ημιαγωγών, αυξάνοντας την απόδοσή τους διατηρώντας παράλληλα την ικανότητά τους να αντέχουν στο περιβάλλον.

Το εργαστήριο Aditya Mohite της Σχολής Μηχανικών George R Brown του Πανεπιστημίου Rice διαπίστωσε ότι το ηλιακό φως συρρικνώνει το χώρο μεταξύ των ατομικών στρωμάτων σε έναν δισδιάστατο περοβσκίτη, αρκετά για να αυξήσει τη φωτοβολταϊκή απόδοση του υλικού έως και 18%, κάτι που είναι συχνή πρόοδος. . Έχει επιτευχθεί ένα φανταστικό άλμα στον αγωνιστικό χώρο και μετρημένο σε ποσοστά.

«Σε 10 χρόνια, η απόδοση του περοβσκίτη έχει εκτοξευθεί από περίπου 3% σε περισσότερο από 25%,» είπε ο Μοχίτε. "Άλλοι ημιαγωγοί θα χρειαστούν περίπου 60 χρόνια για να επιτευχθούν. Γι' αυτό είμαστε τόσο ενθουσιασμένοι."

Ο περοβσκίτης είναι μια ένωση με κυβικό πλέγμα και είναι ένας αποτελεσματικός συλλέκτης φωτός. Οι δυνατότητές τους είναι γνωστές εδώ και πολλά χρόνια, αλλά έχουν ένα πρόβλημα: Μπορούν να μετατρέψουν το ηλιακό φως σε ενέργεια, αλλά το φως του ήλιου και η υγρασία μπορεί να τα υποβαθμίσουν.

«Η τεχνολογία των ηλιακών κυψελών αναμένεται να διαρκέσει 20 έως 25 χρόνια», δήλωσε ο Mohite, αναπληρωτής καθηγητής χημικής και βιομοριακής μηχανικής και επιστήμης υλικών και νανομηχανικής. «Δουλεύουμε πολλά χρόνια και συνεχίζουμε να χρησιμοποιούμε μεγάλους περοβσκίτες που είναι πολύ αποτελεσματικοί αλλά όχι πολύ σταθεροί. Αντίθετα, οι δισδιάστατοι περοβσκίτες έχουν εξαιρετική σταθερότητα αλλά δεν είναι αρκετά αποτελεσματικοί για να τοποθετηθούν στην οροφή.

«Το μεγαλύτερο πρόβλημα είναι να γίνουν αποτελεσματικοί χωρίς να διακυβεύεται η σταθερότητα».
Οι μηχανικοί της Rice και οι συνεργάτες τους από το Πανεπιστήμιο Purdue και το Πανεπιστήμιο Northwestern, το Los Alamos, το Argonne και το Brookhaven του Εθνικού Εργαστηρίου του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ και το Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής και Ψηφιακής Τεχνολογίας (INSA) στη Ρεν της Γαλλίας, και οι συνεργάτες τους βρήκαν ότι στο ορισμένοι δισδιάστατοι περοβσκίτες, το ηλιακό φως συρρικνώνει αποτελεσματικά τον χώρο μεταξύ των ατόμων, αυξάνοντας την ικανότητά τους να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα.

«Βρήκαμε ότι όταν αναφλέγετε το υλικό, το πιέζετε σαν σφουγγάρι και συγκεντρώνετε τα στρώματα μαζί για να ενισχύσετε τη μεταφορά φορτίου προς αυτή την κατεύθυνση», είπε ο Μοχτ. Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι η τοποθέτηση ενός στρώματος οργανικών κατιόντων μεταξύ του ιωδίου στην κορυφή και του μολύβδου στο κάτω μέρος μπορεί να ενισχύσει την αλληλεπίδραση μεταξύ των στρωμάτων.

«Αυτή η εργασία έχει μεγάλη σημασία για τη μελέτη διεγερμένων καταστάσεων και οιονεί σωματιδίων, όπου το ένα στρώμα θετικού φορτίου βρίσκεται στο άλλο και το αρνητικό φορτίο είναι στο άλλο, και μπορούν να μιλήσουν μεταξύ τους», είπε ο Μοχτ. «Αυτά ονομάζονται εξιτόνια και μπορεί να έχουν μοναδικές ιδιότητες.

«Αυτό το φαινόμενο μάς επιτρέπει να κατανοήσουμε και να προσαρμόσουμε αυτές τις βασικές αλληλεπιδράσεις φωτός-ύλης χωρίς να δημιουργούμε πολύπλοκες ετεροδομές όπως στοιβαγμένα 2D διχαλκογονίδια μετάλλων μετάπτωσης», είπε.

Συνάδελφοι στη Γαλλία επιβεβαίωσαν το πείραμα με ένα μοντέλο υπολογιστή. Ο Jacky Even, Καθηγητής Φυσικής στο INSA, δήλωσε: "Αυτή η έρευνα παρέχει μια μοναδική ευκαιρία για συνδυασμό της πιο προηγμένης τεχνολογίας εξ αρχής προσομοίωσης, έρευνας υλικών με χρήση εγκαταστάσεων εθνικών συγχρονών μεγάλης κλίμακας και επιτόπου χαρακτηρισμού των ηλιακών κυττάρων σε λειτουργία. Συνδυάστε ." "Αυτό το έγγραφο περιγράφει για πρώτη φορά πώς το φαινόμενο της διαρροής απελευθερώνει ξαφνικά το ρεύμα φόρτισης στο υλικό περοβσκίτη."

Και τα δύο αποτελέσματα δείχνουν ότι μετά από 10 λεπτά έκθεσης στον ηλιακό προσομοιωτή με ηλιακή ένταση, ο δισδιάστατος περοβσκίτης συρρικνώνεται κατά 0.4% κατά μήκος του και περίπου 1% από πάνω προς τα κάτω. Απέδειξαν ότι το αποτέλεσμα μπορούσε να φανεί μέσα σε 1 λεπτό κάτω από πέντε εντάσεις ήλιου.

"Δεν ακούγεται πολύ, αλλά μια συρρίκνωση 1% της απόστασης του πλέγματος θα προκαλέσει σημαντική αύξηση στη ροή ηλεκτρονίων", δήλωσε ο Li Wenbin, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Rice και συν-επικεφαλής συγγραφέας. «Η έρευνά μας δείχνει ότι η ηλεκτρονική αγωγιμότητα του υλικού έχει τριπλασιαστεί».

Ταυτόχρονα, η φύση του κρυσταλλικού πλέγματος καθιστά το υλικό ανθεκτικό στην υποβάθμιση, ακόμη και όταν θερμαίνεται στους 80 βαθμούς Κελσίου (176 βαθμούς Φαρενάιτ). Οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ότι το πλέγμα χαλαρώνει γρήγορα και επιστρέφει στην τυπική του διαμόρφωση μόλις σβήσουν τα φώτα.

«Ένα από τα κύρια αξιοθέατα των 2D περοβσκιτών είναι ότι συνήθως έχουν οργανικά άτομα που λειτουργούν ως φράγματα υγρασίας, είναι θερμικά σταθερά και λύνουν προβλήματα μετανάστευσης ιόντων», δήλωσε ο μεταπτυχιακός φοιτητής και συν-επικεφαλής συγγραφέας Siraj Sidhik. «Οι τρισδιάστατοι περοβσκίτες είναι επιρρεπείς σε θερμική και φωτεινή αστάθεια, έτσι οι ερευνητές άρχισαν να βάζουν 3D στρώματα πάνω από τεράστιους περοβσκίτες για να δουν αν θα μπορούσαν να αξιοποιήσουν στο έπακρο και τα δύο.

«Σκεφτόμαστε, ας περάσουμε στο 2D και ας το κάνουμε αποτελεσματικό», είπε.

Για να παρατηρήσει τη συρρίκνωση του υλικού, η ομάδα χρησιμοποίησε δύο εγκαταστάσεις χρήστη του Γραφείου Επιστήμης του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE): την Εθνική Πηγή Φωτός Σύγχρονου ΙΙ του Εθνικού Εργαστηρίου Brookhaven του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ και το Advanced State Laboratory of το Εθνικό Εργαστήριο Argonne του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ. Εργαστήριο Πηγής Φωτονίων (APS).

Ο φυσικός Argonne Joe Strzalka, ο συν-συγγραφέας της εφημερίδας, χρησιμοποιεί τις εξαιρετικά φωτεινές ακτίνες Χ του APS για να καταγράψει μικρές δομικές αλλαγές στα υλικά σε πραγματικό χρόνο. Το ευαίσθητο όργανο στο 8-ID-E της γραμμής δέσμης APS επιτρέπει "λειτουργικές" μελέτες, που σημαίνει μελέτες που διεξάγονται όταν ο εξοπλισμός υφίσταται ελεγχόμενες αλλαγές θερμοκρασίας ή περιβάλλοντος υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας. Σε αυτή την περίπτωση, ο Strzalka και οι συνεργάτες του εξέθεσαν το φωτοευαίσθητο υλικό στο ηλιακό κύτταρο σε προσομοίωση του ηλιακού φωτός διατηρώντας τη θερμοκρασία σταθερή και παρατήρησαν μικροσκοπικές συσπάσεις σε ατομικό επίπεδο.

Ως πείραμα ελέγχου, ο Strzalka και οι συνεργάτες του κράτησαν το δωμάτιο σκοτεινό, αύξησαν τη θερμοκρασία και παρατήρησαν το αντίθετο αποτέλεσμα - επέκταση του υλικού. Αυτό υποδηλώνει ότι το ίδιο το φως, όχι η θερμότητα που παράγει, προκάλεσε τη μεταμόρφωση.

«Για τέτοιες αλλαγές, είναι σημαντικό να διεξαχθεί επιχειρησιακή έρευνα», είπε ο Στρζάλκα. "Ακριβώς όπως ο μηχανικός σας θέλει να θέσει σε λειτουργία τον κινητήρα σας για να δει τι συμβαίνει σε αυτόν, θέλουμε ουσιαστικά να τραβήξουμε ένα βίντεο αυτής της μετατροπής, ούτε ένα στιγμιότυπο. Εγκαταστάσεις όπως το APS μας επιτρέπουν να το κάνουμε αυτό."

Ο Strzalka επεσήμανε ότι το APS υφίσταται σημαντική αναβάθμιση για να αυξήσει τη φωτεινότητα των ακτίνων Χ έως και 500 φορές. Είπε ότι όταν ολοκληρωθεί, φωτεινότερες δέσμες και ταχύτεροι, πιο ευκρινείς ανιχνευτές θα αυξήσουν την ικανότητα των επιστημόνων να ανιχνεύουν αυτές τις αλλαγές με μεγαλύτερη ευαισθησία.

Αυτό μπορεί να βοηθήσει την ομάδα του Rice να προσαρμόσει το υλικό για καλύτερη απόδοση. «Σχεδιάζουμε κατιόντα και διεπαφές για να επιτύχουμε αποτελεσματικότητες άνω του 20%,» είπε ο Sidhik. "Αυτό θα αλλάξει τα πάντα στον τομέα του περοβσκίτη γιατί τότε οι άνθρωποι θα αρχίσουν να χρησιμοποιούν 2D περοβσκίτη για 2D περοβσκίτη/πυρίτιο και 2D/3D σειρές περοβσκίτη, που μπορεί να φέρει την απόδοση κοντά στο 30%. Αυτό θα κάνει την εμπορευματοποίησή του ελκυστική."