Ultratunna solceller?

Ultratunna solceller?

Ultratunna solceller förbättrade: 2D perovskitföreningar har de lämpliga materialen för att utmana skrymmande produkter.

Ingenjörer vid Rice University har uppnått nya riktmärken för att designa tunna solceller i atomskala gjorda av halvledarperovskiter, vilket ökar deras effektivitet samtidigt som de behåller deras förmåga att motstå miljön.

Aditya Mohite-laboratoriet vid Rice Universitys George R Brown School of Engineering fann att solljus krymper utrymmet mellan atomskikten i en tvådimensionell perovskit, tillräckligt för att öka materialets fotovoltaiska effektivitet med så mycket som 18 %, vilket är frekventa framsteg . Ett fantastiskt språng har uppnåtts i fält och mätt i procent.

"På 10 år har effektiviteten av perovskite skjutit i höjden från cirka 3% till mer än 25%," sa Mohite. "Andra halvledare kommer att ta cirka 60 år att uppnå. Det är därför vi är så exalterade."

Perovskite är en förening med ett kubiskt galler och är en effektiv ljussamlare. Deras potential har varit känd i många år, men de har ett problem: De kan omvandla solljus till energi, men solljus och fukt kan försämra dem.

"Solcellsteknik förväntas pågå i 20 till 25 år", säger Mohite, docent i kemi- och biomolekylär teknik och materialvetenskap och nanoteknik. "Vi har arbetat i många år och fortsätter att använda stora perovskiter som är väldigt effektiva men inte särskilt stabila. Däremot har tvådimensionella perovskiter utmärkt stabilitet men är inte tillräckligt effektiva för att placeras på taket.

"Det största problemet är att göra dem effektiva utan att kompromissa med stabiliteten."
Rice-ingenjörerna och deras medarbetare från Purdue University och Northwestern University, Los Alamos, Argonne och Brookhaven från US Department of Energy National Laboratory, och Institute of Electronics and Digital Technology (INSA) i Rennes, Frankrike, och deras medarbetare fann att i vissa tvådimensionella perovskiter, krymper solljus effektivt utrymmet mellan atomerna, vilket ökar deras förmåga att överföra elektrisk ström.

"Vi fann att när du antänder materialet, klämmer du ihop det som en svamp och samlar ihop lagren för att förbättra laddningsöverföringen i den riktningen," sa Mocht. Forskarna fann att att placera ett lager av organiska katjoner mellan jodiden på toppen och blyet på botten kan förbättra interaktionen mellan lagren.

"Detta arbete är av stor betydelse för studiet av exciterade tillstånd och kvasipartiklar, där ett lager av positiv laddning är på den andra, och den negativa laddningen är på den andra, och de kan prata med varandra," sa Mocht. "Dessa kallas excitoner, och de kan ha unika egenskaper.

"Denna effekt tillåter oss att förstå och justera dessa grundläggande ljus-materia-interaktioner utan att skapa komplexa heterostrukturer som staplade 2D-dikalkogenider av övergångsmetall", sa han.

Kollegor i Frankrike bekräftade experimentet med en datormodell. Jacky Even, professor i fysik vid INSA, sa: "Denna forskning ger en unik möjlighet att kombinera den mest avancerade ab initio simuleringsteknologin, materialforskning med hjälp av storskaliga nationella synkrotronanläggningar och in-situ karakterisering av solceller i drift. Kombinera ." "Denna uppsats beskriver för första gången hur läckagefenomenet plötsligt släpper ut laddningsströmmen i perovskitmaterialet."

Båda resultaten visar att efter 10 minuters exponering för solsimulatorn vid en solintensitet, krymper den tvådimensionella perovskiten med 0.4 % längs sin längd och cirka 1 % från topp till botten. De bevisade att effekten kunde ses inom 1 minut under fem solintensiteter.

"Det låter inte så mycket, men en 1% krympning av gitteravståndet kommer att orsaka en avsevärd ökning av elektronflödet", säger Li Wenbin, doktorand i Rice och medförfattare. "Vår forskning visar att den elektroniska ledningen av materialet har tredubblats."

Samtidigt gör kristallgittrets natur materialet motståndskraftigt mot nedbrytning, även när det värms upp till 80 grader Celsius (176 grader Fahrenheit). Forskarna fann också att gallret snabbt slappnar av tillbaka till sin standardkonfiguration när lamporna släcks.

"En av huvudattraktionerna med 2D-perovskiter är att de vanligtvis har organiska atomer som fungerar som fuktbarriärer, är termiskt stabila och löser jonmigreringsproblem", säger doktorand och medförfattare Siraj Sidhik. "3D-perovskiter är benägna att bli termisk och ljusinstabil, så forskare började lägga 2D-lager ovanpå massiva perovskiter för att se om de kunde få ut det mesta av båda.

"Vi tänker, låt oss bara byta till 2D och göra det effektivt," sa han.

För att observera materialets krympning använde teamet två användaranläggningar vid US Department of Energy (DOE) Office of Science: National Synchrotron Light Source II vid Brookhaven National Laboratory vid US Department of Energy och Advanced State Laboratory of det amerikanska energidepartementets Argonne National Laboratory. Fotonkälla (APS) Laboratory.

Argonne-fysikern Joe Strzalka, tidningens medförfattare, använder APS:s ultraljusa röntgenstrålar för att fånga små strukturella förändringar i material i realtid. Det känsliga instrumentet vid 8-ID-E av APS-strållinjen tillåter "operativa" studier, vilket innebär studier som utförs när utrustningen genomgår kontrollerade förändringar i temperatur eller miljö under normala driftsförhållanden. I det här fallet exponerade Strzalka och hans kollegor det ljuskänsliga materialet i solcellen för simulerat solljus samtidigt som temperaturen hölls konstant och observerade små sammandragningar på atomnivå.

Som ett kontrollexperiment höll Strzalka och hans medförfattare rummet mörkt, ökade temperaturen och observerade den motsatta effekten - materialexpansion. Detta tyder på att ljuset i sig, inte värmen det genererar, orsakade omvandlingen.

"För sådana förändringar är det viktigt att bedriva operativ forskning," sa Strzalka. "Precis som din mekaniker vill köra din motor för att se vad som händer i den, vill vi i huvudsak ta en video av denna konvertering, inte en enda ögonblicksbild. Faciliteter som APS tillåter oss att göra detta."

Strzalka påpekade att APS genomgår en betydande uppgradering för att öka ljusstyrkan på sina röntgenstrålar med upp till 500 gånger. Han sa att när den är klar kommer ljusare strålar och snabbare, skarpare detektorer att öka forskarnas förmåga att upptäcka dessa förändringar med större känslighet.

Detta kan hjälpa Rice-teamet att justera materialet för bättre prestanda. "Vi designar katjoner och gränssnitt för att uppnå effektivitetsvinster på mer än 20%," sa Sidhik. "Detta kommer att förändra allt inom perovskite-området eftersom folk då kommer att börja använda 2D-perovskite för 2D-perovskite/kisel- och 2D/3D-perovskite-serier, vilket kan bringa effektiviteten nära 30%. Detta kommer att göra dess kommersialisering attraktiv."