Ultra-manipis na mga solar cell?

Ultra-manipis na mga solar cell?

Pinahusay ang mga ultra-manipis na solar cell: Ang mga 2D perovskite compound ay may mga angkop na materyales upang hamunin ang malalaking produkto.

Ang mga inhinyero sa Rice University ay nakamit ang mga bagong benchmark sa pagdidisenyo ng atomic-scale thin solar cells na gawa sa semiconductor perovskites, na nagpapataas ng kanilang kahusayan habang pinapanatili ang kanilang kakayahang makatiis sa kapaligiran.

Natuklasan ng laboratoryo ng Aditya Mohite ng George R Brown School of Engineering ng Rice University na pinaliit ng sikat ng araw ang espasyo sa pagitan ng mga atomic layer sa isang two-dimensional na perovskite, sapat na upang mapataas ang photovoltaic na kahusayan ng materyal ng hanggang 18%, na madalas na pag-unlad . Isang kamangha-manghang paglukso ang natamo sa larangan at nasusukat sa mga porsyento.

"Sa 10 taon, ang kahusayan ng perovskite ay tumaas mula sa humigit-kumulang 3% hanggang sa higit sa 25%," sabi ni Mohite. "Other semiconductors will take about 60 years to achieve. That's why we are so excited."

Ang Perovskite ay isang compound na may cubic lattice at isang mahusay na kolektor ng ilaw. Ang kanilang potensyal ay kilala sa loob ng maraming taon, ngunit mayroon silang problema: Maaari nilang i-convert ang sikat ng araw sa enerhiya, ngunit ang sikat ng araw at kahalumigmigan ay maaaring magpapahina sa kanila.

"Ang teknolohiya ng solar cell ay inaasahang tatagal ng 20 hanggang 25 taon," sabi ni Mohite, associate professor ng kemikal at biomolecular engineering at mga materyales sa agham at nanoengineering. "Kami ay nagtatrabaho nang maraming taon at patuloy na gumagamit ng malalaking perovskite na napakabisa ngunit hindi masyadong matatag. Sa kabaligtaran, ang dalawang-dimensional na perovskite ay may mahusay na katatagan ngunit hindi sapat na mahusay upang mailagay sa bubong.

"Ang pinakamalaking problema ay upang gawin silang mahusay nang hindi nakompromiso ang katatagan."
Ang mga inhinyero ng Rice at ang kanilang mga collaborator mula sa Purdue University at Northwestern University, Los Alamos, Argonne at Brookhaven ng US Department of Energy National Laboratory, at ang Institute of Electronics and Digital Technology (INSA) sa Rennes, France, at ang kanilang mga collaborator ay natagpuan na Sa ilang mga dalawang-dimensional na perovskite, ang sikat ng araw ay epektibong nagpapaliit sa espasyo sa pagitan ng mga atomo, na nagdaragdag ng kanilang kakayahang magdala ng de-koryenteng kasalukuyang.

"Nalaman namin na kapag sinindihan mo ang materyal, pinipiga mo ito tulad ng isang espongha at tipunin ang mga layer upang mapahusay ang paglipat ng singil sa direksyon na iyon," sabi ni Mocht. Nalaman ng mga mananaliksik na ang paglalagay ng isang layer ng mga organic na cation sa pagitan ng iodide sa itaas at ng lead sa ibaba ay maaaring mapahusay ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga layer.

"Ang gawaing ito ay may malaking kahalagahan sa pag-aaral ng mga nasasabik na estado at quasiparticle, kung saan ang isang layer ng positibong singil ay nasa kabilang panig, at ang negatibong singil ay nasa kabilang panig, at maaari silang makipag-usap sa isa't isa," sabi ni Mocht. "Ang mga ito ay tinatawag na excitons, at maaaring mayroon silang mga natatanging katangian.

"Ang epektong ito ay nagbibigay-daan sa amin na maunawaan at ayusin ang mga pangunahing pakikipag-ugnayan ng light-matter na ito nang hindi lumilikha ng mga kumplikadong heterostructure tulad ng stacked 2D transition metal dichalcogenides," sabi niya.

Kinumpirma ng mga kasamahan sa France ang eksperimento sa isang modelo ng computer. Jacky Even, Propesor ng Physics sa INSA, ay nagsabi: "Ang pananaliksik na ito ay nagbibigay ng isang natatanging pagkakataon upang pagsamahin ang pinaka-advanced na ab initio simulation technology, materyal na pananaliksik gamit ang malakihang pambansang synchrotron facility, at in-situ na characterization ng mga solar cell na gumagana. Pagsamahin ." "Ang papel na ito ay naglalarawan sa unang pagkakataon kung paano ang seepage phenomenon ay biglang naglalabas ng charging current sa perovskite material."

Ang parehong mga resulta ay nagpapakita na pagkatapos ng 10 minuto ng pagkakalantad sa solar simulator sa isang solar intensity, ang dalawang-dimensional na perovskite ay lumiliit ng 0.4% sa haba nito at humigit-kumulang 1% mula sa itaas hanggang sa ibaba. Pinatunayan nila na ang epekto ay makikita sa loob ng 1 minuto sa ilalim ng limang intensity ng araw.

"Ito ay hindi gaanong tunog, ngunit ang isang 1% na pag-urong ng lattice spacing ay magdudulot ng malaking pagtaas sa daloy ng elektron," sabi ni Li Wenbin, isang nagtapos na mag-aaral sa Rice at co-lead na may-akda. "Ang aming pananaliksik ay nagpapakita na ang elektronikong pagpapadaloy ng materyal ay tumaas ng tatlong beses."

Kasabay nito, ang likas na katangian ng kristal na sala-sala ay gumagawa ng materyal na lumalaban sa pagkasira, kahit na pinainit hanggang 80 degrees Celsius (176 degrees Fahrenheit). Nalaman din ng mga mananaliksik na ang sala-sala ay mabilis na nakakarelaks pabalik sa karaniwang pagsasaayos nito kapag ang mga ilaw ay nakapatay.

"Ang isa sa mga pangunahing atraksyon ng 2D perovskites ay kadalasang mayroon silang mga organic na atom na nagsisilbing mga hadlang sa kahalumigmigan, thermally stable, at nilulutas ang mga problema sa paglilipat ng ion," sabi ng nagtapos na estudyante at co-lead na may-akda na si Siraj Sidhik. "Ang mga 3D perovskite ay madaling kapitan ng thermal at light instability, kaya nagsimula ang mga mananaliksik na maglagay ng mga 2D layer sa ibabaw ng napakalaking perovskite upang makita kung masusulit nila ang pareho.

"Sa tingin namin, lumipat na lang tayo sa 2D at gawin itong efficient," he said.

Upang obserbahan ang pag-urong ng materyal, gumamit ang team ng dalawang user facility ng US Department of Energy (DOE) Office of Science: ang National Synchrotron Light Source II ng Brookhaven National Laboratory ng US Department of Energy at ang Advanced State Laboratory ng ang Argonne National Laboratory ng US Department of Energy. Photon Source (APS) Laboratory.

Ang physicist ng Argonne na si Joe Strzalka, ang co-author ng papel, ay gumagamit ng ultra-bright X-ray ng APS upang makuha ang maliliit na pagbabago sa istruktura sa mga materyales sa real-time. Ang sensitibong instrumento sa 8-ID-E ng APS beamline ay nagbibigay-daan para sa mga "operational" na pag-aaral, na nangangahulugang mga pag-aaral na isinasagawa kapag ang kagamitan ay sumasailalim sa mga kontroladong pagbabago sa temperatura o kapaligiran sa ilalim ng normal na mga kondisyon ng operating. Sa kasong ito, inilantad ni Strzalka at ng kanyang mga kasamahan ang photosensitive na materyal sa solar cell sa kunwa ng sikat ng araw habang pinapanatili ang pare-pareho ang temperatura at naobserbahan ang maliliit na contraction sa atomic level.

Bilang isang eksperimento sa pagkontrol, pinananatiling madilim ni Strzalka at ng kanyang mga kasamang may-akda ang silid, pinataas ang temperatura, at naobserbahan ang kabaligtaran na epekto—pagpapalawak ng materyal. Ito ay nagpapahiwatig na ang liwanag mismo, hindi ang init na nabubuo nito, ang sanhi ng pagbabago.

"Para sa mga ganitong pagbabago, mahalagang magsagawa ng operational research," sabi ni Strzalka. "Tulad ng gusto ng mekaniko mong patakbuhin ang makina mo para makita kung ano ang nangyayari dito, gusto talaga naming kumuha ng video ng conversion na ito, hindi kahit isang snapshot. Nagbibigay-daan sa amin ang mga pasilidad gaya ng APS na gawin ito."

Itinuro ni Strzalka na ang APS ay sumasailalim sa isang makabuluhang pag-upgrade upang mapataas ang ningning ng mga X-ray nito nang hanggang 500 beses. Sinabi niya na kapag ito ay nakumpleto, mas maliwanag na mga sinag at mas mabilis, mas matalas na mga detector ay magdaragdag sa kakayahan ng mga siyentipiko na makita ang mga pagbabagong ito nang may higit na sensitivity.

Makakatulong ito sa Rice team na ayusin ang materyal para sa mas mahusay na pagganap. "Kami ay nagdidisenyo ng mga kasyon at mga interface upang makamit ang kahusayan ng higit sa 20%," sabi ni Sidhik. "Babago nito ang lahat sa larangan ng perovskite dahil magsisimula ang mga tao na gumamit ng 2D perovskite para sa 2D perovskite/silicon at 2D/3D perovskite series, na maaaring magdulot ng kahusayan na malapit sa 30%. Ito ay gagawing kaakit-akit ang komersyalisasyon nito."