Ультратонкие солнечные батареи?

Ультратонкие солнечные батареи?

Ультратонкие солнечные элементы улучшены: 2D соединения перовскита имеют подходящие материалы, чтобы бросить вызов громоздким продуктам.

Инженеры из Университета Райса достигли новых рубежей в разработке тонких солнечных элементов атомного масштаба из полупроводниковых перовскитов, повысив их эффективность при сохранении их способности противостоять окружающей среде.

Лаборатория Адитьи Мохите инженерной школы Джорджа Р. Брауна Университета Райса обнаружила, что солнечный свет сужает пространство между атомными слоями в двумерном перовските, достаточное для увеличения фотоэлектрической эффективности материала на целых 18%, что является частым прогрессом. . Фантастический скачок был достигнут в этой области и измеряется в процентах.

«За 10 лет эффективность перовскита выросла примерно с 3% до более чем 25%», — сказал Мохите. «На создание других полупроводников уйдет около 60 лет. Вот почему мы так взволнованы».

Перовскит представляет собой соединение с кубической решеткой и является эффективным собирателем света. Их потенциал известен уже много лет, но у них есть проблема: они могут преобразовывать солнечный свет в энергию, но солнечный свет и влага могут их испортить.

«Ожидается, что технология солнечных элементов прослужит от 20 до 25 лет», — сказал Мохите, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии, материаловедения и наноинженерии. «Мы работаем много лет и продолжаем использовать большие перовскиты, которые очень эффективны, но не очень стабильны. Напротив, двумерные перовскиты обладают отличной стабильностью, но недостаточно эффективны, чтобы их можно было разместить на крыше.

«Самая большая проблема — сделать их эффективными без ущерба для стабильности».
Инженеры Райс и их сотрудники из Университета Пердью и Северо-Западного университета, Лос-Аламоса, Аргонна и Брукхейвена из Национальной лаборатории Министерства энергетики США, а также Института электроники и цифровых технологий (INSA) в Ренне, Франция, и их сотрудники обнаружили, что в В некоторых двумерных перовскитах солнечный свет эффективно сужает пространство между атомами, увеличивая их способность проводить электрический ток.

«Мы обнаружили, что когда вы поджигаете материал, вы сжимаете его, как губку, и собираете слои вместе, чтобы улучшить перенос заряда в этом направлении», — сказал Мохт. Исследователи обнаружили, что размещение слоя органических катионов между йодидом сверху и свинцом снизу может усилить взаимодействие между слоями.

«Эта работа имеет большое значение для изучения возбужденных состояний и квазичастиц, где один слой положительного заряда находится на другом, а отрицательный — на другом, и они могут общаться друг с другом», — сказал Мохт. «Они называются экситонами, и они могут обладать уникальными свойствами.

«Этот эффект позволяет нам понять и настроить эти основные взаимодействия света и вещества без создания сложных гетероструктур, таких как сложенные друг в друга двумерные дихалькогениды переходных металлов», — сказал он.

Коллеги во Франции подтвердили эксперимент с компьютерной моделью. Джеки Эвен, профессор физики INSA, сказал: «Это исследование предоставляет уникальную возможность объединить самые передовые технологии моделирования ab initio, исследования материалов с использованием крупномасштабных национальных синхротронных установок и определение характеристик солнечных элементов на месте в процессе эксплуатации. ." «В этой статье впервые описывается, как явление просачивания внезапно высвобождает зарядный ток в материале перовскита».

Оба результата показывают, что после 10 минут воздействия солнечного симулятора при солнечной интенсивности двумерный перовскит сжимается на 0.4% по длине и примерно на 1% сверху вниз. Они доказали, что эффект можно увидеть в течение 1 минуты при пяти интенсивностях солнца.

«Это не так уж много, но сокращение шага решетки на 1% приведет к существенному увеличению потока электронов», — сказал Ли Вэньбинь, аспирант Райса и соавтор. «Наше исследование показывает, что электронная проводимость материала увеличилась в три раза».

В то же время природа кристаллической решетки делает материал устойчивым к деградации даже при нагревании до 80 градусов Цельсия (176 градусов по Фаренгейту). Исследователи также обнаружили, что решетка быстро возвращается к своей стандартной конфигурации после выключения света.

«Одним из основных преимуществ двумерных перовскитов является то, что они обычно содержат органические атомы, которые действуют как барьеры для влаги, термически стабильны и решают проблемы миграции ионов», — сказал аспирант и соавтор Сирадж Сидхик. «Трехмерные перовскиты склонны к термической и световой нестабильности, поэтому исследователи начали накладывать двумерные слои поверх массивных перовскитов, чтобы посмотреть, смогут ли они извлечь максимальную пользу из обоих.

«Мы думаем, давайте просто переключимся на 2D и сделаем его более эффективным», — сказал он.

Чтобы наблюдать за усадкой материала, команда использовала два пользовательских объекта Управления науки Министерства энергетики США (DOE): Национальный источник синхротронного света II Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Передовую государственную лабораторию Аргоннская национальная лаборатория Министерства энергетики США. Лаборатория источников фотонов (APS).

Аргоннский физик Джо Стшалка, соавтор статьи, использует сверхяркие рентгеновские лучи APS для фиксации небольших структурных изменений в материалах в режиме реального времени. Чувствительный инструмент на 8-ID-E линии луча APS позволяет проводить «эксплуатационные» исследования, что означает исследования, проводимые, когда оборудование подвергается контролируемым изменениям температуры или окружающей среды в нормальных условиях эксплуатации. В этом случае Стшалка и его коллеги подвергли светочувствительный материал солнечного элемента искусственному солнечному свету, поддерживая постоянную температуру, и наблюдали крошечные сокращения на атомном уровне.

В качестве контрольного эксперимента Стшалка и его соавторы держали комнату в темноте, повысили температуру и наблюдали противоположный эффект — расширение материала. Это говорит о том, что трансформацию вызвал сам свет, а не выделяемое им тепло.

«Для таких изменений важно проводить оперативные исследования», — сказал Стшалка. «Точно так же, как ваш механик хочет запустить ваш двигатель, чтобы посмотреть, что в нем происходит, мы, по сути, хотим снять видео этого преобразования, а не один снимок. Такие средства, как APS, позволяют нам это делать».

Стшалка отметил, что APS проходит значительную модернизацию, чтобы увеличить яркость своих рентгеновских лучей до 500 раз. Он сказал, что когда он будет завершен, более яркие лучи и более быстрые и острые детекторы повысят способность ученых обнаруживать эти изменения с большей чувствительностью.

Это может помочь команде Rice скорректировать материал для повышения производительности. «Мы разрабатываем катионы и интерфейсы для достижения эффективности более 20%», — сказал Сидхик. «Это изменит все в области перовскита, потому что тогда люди начнут использовать 2D-перовскит для серий 2D-перовскит/кремний и 2D/3D-перовскит, что может довести эффективность до 30%. Это сделает его коммерциализацию привлекательной».