Sel suria ultra nipis?

Sel suria ultra nipis?

Sel suria ultra nipis dipertingkatkan: Sebatian perovskit 2D mempunyai bahan yang sesuai untuk mencabar produk besar.

Jurutera di Universiti Rice telah mencapai penanda aras baharu dalam mereka bentuk sel suria nipis berskala atom yang diperbuat daripada perovskit semikonduktor, meningkatkan kecekapan mereka sambil mengekalkan keupayaan mereka untuk menahan persekitaran.

Makmal Aditya Mohite dari Sekolah Kejuruteraan George R Brown Universiti Rice mendapati bahawa cahaya matahari mengecilkan ruang antara lapisan atom dalam perovskit dua dimensi, cukup untuk meningkatkan kecekapan fotovoltaik bahan sebanyak 18%, yang merupakan kemajuan yang kerap. . Lonjakan hebat telah dicapai dalam bidang dan diukur dalam peratusan.

"Dalam 10 tahun, kecekapan perovskite telah melonjak daripada kira-kira 3% kepada lebih daripada 25%, " kata Mohite. "Separa semikonduktor lain akan mengambil masa kira-kira 60 tahun untuk mencapainya. Itulah sebabnya kami sangat teruja."

Perovskite ialah sebatian dengan kekisi padu dan merupakan pengumpul cahaya yang cekap. Potensi mereka telah diketahui selama bertahun-tahun, tetapi mereka mempunyai masalah: Mereka boleh menukar cahaya matahari kepada tenaga, tetapi cahaya matahari dan kelembapan boleh merendahkan mereka.

"Teknologi sel suria dijangka bertahan 20 hingga 25 tahun," kata Mohite, profesor bersekutu kejuruteraan kimia dan biomolekul serta sains bahan dan kejuruteraan nano. "Kami telah bekerja selama bertahun-tahun dan terus menggunakan perovskit besar yang sangat berkesan tetapi tidak begitu stabil. Sebaliknya, perovskit dua dimensi mempunyai kestabilan yang sangat baik tetapi tidak cukup cekap untuk diletakkan di atas bumbung.

"Masalah terbesar ialah menjadikan mereka cekap tanpa menjejaskan kestabilan."
Jurutera Rice dan rakan usaha sama mereka dari Universiti Purdue dan Universiti Northwestern, Los Alamos, Argonne dan Brookhaven dari Makmal Kebangsaan Jabatan Tenaga AS, dan Institut Elektronik dan Teknologi Digital (INSA) di Rennes, Perancis, dan rakan usaha sama mereka mendapati bahawa In beberapa perovskit dua dimensi, cahaya matahari berkesan mengecilkan ruang antara atom, meningkatkan keupayaan mereka untuk membawa arus elektrik.

"Kami mendapati bahawa apabila anda menyalakan bahan, anda memerahnya seperti span dan mengumpulkan lapisan bersama-sama untuk meningkatkan pemindahan caj ke arah itu, " kata Mocht. Para penyelidik mendapati bahawa meletakkan lapisan kation organik antara iodida di bahagian atas dan plumbum di bahagian bawah boleh meningkatkan interaksi antara lapisan.

"Kerja ini sangat penting untuk kajian keadaan teruja dan kuasipartikel, di mana satu lapisan cas positif berada di atas yang lain, dan cas negatif berada di atas yang lain, dan mereka boleh bercakap antara satu sama lain, " kata Mocht. "Ini dipanggil excitons, dan ia mungkin mempunyai sifat unik.

"Kesan ini membolehkan kami memahami dan melaraskan interaksi jirim cahaya asas ini tanpa mewujudkan heterostruktur kompleks seperti dichalcogenides logam peralihan 2D yang disusun," katanya.

Rakan sekerja di Perancis mengesahkan percubaan dengan model komputer. Jacky Even, Profesor Fizik di INSA, berkata: "Penyelidikan ini menyediakan peluang unik untuk menggabungkan teknologi simulasi ab initio yang paling maju, penyelidikan bahan menggunakan kemudahan segerak nasional berskala besar, dan pencirian in-situ sel suria yang beroperasi. Gabungkan ." "Kertas ini menerangkan buat pertama kalinya bagaimana fenomena resapan tiba-tiba melepaskan arus pengecasan dalam bahan perovskit."

Kedua-dua keputusan menunjukkan bahawa selepas 10 minit pendedahan kepada simulator suria pada keamatan suria, perovskit dua dimensi mengecut sebanyak 0.4% sepanjang panjangnya dan kira-kira 1% dari atas ke bawah. Mereka membuktikan bahawa kesannya dapat dilihat dalam masa 1 minit di bawah lima intensiti matahari.

"Bunyinya tidak begitu banyak, tetapi pengecutan 1% jarak kekisi akan menyebabkan peningkatan besar dalam aliran elektron," kata Li Wenbin, seorang pelajar siswazah dalam Rice dan pengarang utama bersama. "Penyelidikan kami menunjukkan bahawa pengaliran elektronik bahan telah meningkat tiga kali ganda."

Pada masa yang sama, sifat kekisi kristal menjadikan bahan tahan terhadap degradasi, walaupun apabila dipanaskan hingga 80 darjah Celsius (176 darjah Fahrenheit). Para penyelidik juga mendapati bahawa kekisi cepat mengendur kembali ke konfigurasi standardnya sebaik sahaja lampu dimatikan.

"Salah satu tarikan utama perovskit 2D ialah ia biasanya mempunyai atom organik yang bertindak sebagai penghalang kelembapan, stabil dari segi haba, dan menyelesaikan masalah penghijrahan ion, " kata pelajar siswazah dan pengarang utama bersama Siraj Sidhik. "Perovskit 3D terdedah kepada ketidakstabilan terma dan cahaya, jadi penyelidik mula meletakkan lapisan 2D di atas perovskit besar untuk melihat sama ada mereka boleh memanfaatkan kedua-duanya.

"Kami fikir, mari kita beralih kepada 2D dan menjadikannya cekap," katanya.

Untuk memerhatikan pengecutan bahan, pasukan itu menggunakan dua kemudahan pengguna Pejabat Sains Jabatan Tenaga (JAS) AS: Sumber Cahaya Synchrotron Nasional II dari Makmal Kebangsaan Brookhaven Jabatan Tenaga AS dan Makmal Negeri Termaju Makmal Kebangsaan Argonne Jabatan Tenaga AS. Makmal Sumber Foton (APS).

Ahli fizik Argonne Joe Strzalka, pengarang bersama kertas itu, menggunakan sinar-X ultra-terang APS untuk menangkap perubahan struktur kecil dalam bahan dalam masa nyata. Instrumen sensitif pada 8-ID-E garis pancaran APS membenarkan kajian "operasi", yang bermaksud kajian dijalankan apabila peralatan mengalami perubahan suhu atau persekitaran terkawal di bawah keadaan operasi biasa. Dalam kes ini, Strzalka dan rakan-rakannya mendedahkan bahan fotosensitif dalam sel suria kepada simulasi cahaya matahari sambil mengekalkan suhu tetap dan memerhatikan pengecutan kecil pada tahap atom.

Sebagai percubaan kawalan, Strzalka dan pengarang bersamanya memastikan bilik gelap, meningkatkan suhu dan memerhatikan kesan sebaliknya—pengembangan bahan. Ini menunjukkan bahawa cahaya itu sendiri, bukan haba yang dihasilkannya, menyebabkan transformasi.

"Untuk perubahan sedemikian, adalah penting untuk menjalankan penyelidikan operasi, " kata Strzalka. "Sama seperti mekanik anda ingin menghidupkan enjin anda untuk melihat apa yang berlaku di dalamnya, kami pada asasnya ingin mengambil video penukaran ini, bukan satu syot kilat. Kemudahan seperti APS membolehkan kami melakukan ini."

Strzalka menegaskan bahawa APS sedang menjalani peningkatan yang ketara untuk meningkatkan kecerahan sinar-Xnya sehingga 500 kali ganda. Beliau berkata, apabila ia siap, pancaran yang lebih terang dan pengesan yang lebih pantas, lebih tajam akan meningkatkan keupayaan saintis untuk mengesan perubahan ini dengan sensitiviti yang lebih besar.

Ini boleh membantu pasukan Beras menyesuaikan bahan untuk prestasi yang lebih baik. "Kami sedang mereka bentuk kation dan antara muka untuk mencapai kecekapan lebih daripada 20%," kata Sidhik. "Ini akan mengubah segala-galanya dalam medan perovskite kerana kemudian orang ramai akan mula menggunakan perovskite 2D untuk siri perovskite/silikon 2D dan 2D/3D perovskite, yang boleh membawa kecekapan hampir kepada 30%. Ini akan menjadikan pengkomersilannya menarik."