Ultracienkie ogniwa słoneczne wykorzystujące perowskity 2D zyskują moc

Laboratorium ryżu odkryło, że kompleks perowskitu 2D zawiera odpowiednie składniki, aby rzucić wyzwanie większym produktom.

Inżynierowie z Rice University ustanowili nowy standard w projektowaniu cienkich jak atom półprzewodnikowych ogniw słonecznych z perowskitu, zwiększając ich wydajność, a jednocześnie będąc przyjaznym dla środowiska.

Laboratorium Aditya Mohite przy George Brown School of Engineering w Rice odkryło, że samo światło słoneczne kurczy przestrzeń między warstwami atomowymi w dwuwymiarowym perowskicie na tyle, aby poprawić wydajność materiałów fotowoltaicznych nawet o 18%, co stanowi oszałamiający skok w obszarze, w którym postęp jest często mierzony w ułamkach procentowych.

„W ciągu 10 lat wydajność perowskitu wzrosła z około 3% do ponad 25%” – powiedział Moheti. Dotarcie tam innym półprzewodnikom zajęło około 60 lat. Dlatego jesteśmy tak podekscytowani. „

Wyszukiwanie pojawia się w Nanotechnologia przyrody.

Perowskity są związkami o sześciennych sieciach krystalicznych i są wysoce wydajnymi kombajnami optycznymi. Ich potencjał jest znany od lat, ale stanowią dylemat: są dobre w przekształcaniu światła słonecznego w energię, ale światło słoneczne i wilgoć je degradują.

„Oczekuje się, że technologia ogniw słonecznych będzie działać przez 20 do 25 lat” – powiedział Mohit, profesor nadzwyczajny inżynierii chemicznej i biomolekularnej, materiałoznawstwa i nanoinżynierii. „Pracowaliśmy przez wiele lat i nadal pracujemy z dużymi ilościami perowskitów, które są bardzo wydajne, ale nie stabilne. W przeciwieństwie do perowskitów 2D, które mają ogromną stabilność, ale nie są wystarczająco wydajne, aby można je było umieścić na powierzchni.

„Wielkim problemem było uczynienie go skutecznym bez narażania stabilności” – powiedział.

Inżynierowie Rice i współpracownicy z Purdue i Northwestern University, National Laboratories Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych w Los Alamos, Argonne i Brookhaven oraz Institute of Electronics and Digital Technologies (INSA) w Rennes we Francji odkryli, że w niektórych dwuwymiarowych perowskitach światło słoneczne jest skutecznie redukowany. Odległość między atomami, poprawiająca ich zdolność przewodzenia prądu.

Siraj Sedik, doktorant na Rice University, przygotowuje się do wirowania substratu ze związkiem, który zamarza w dwuwymiarowym perowskicie. Inżynierowie Rice odkryli, że wyświetlacze perowskitowe są obiecujące dla wydajnych i wytrzymałych ogniw słonecznych. Źródło: Jeff Fitlow/Rice University

„Odkryliśmy, że kiedy rozświetlasz materiał, ściskasz go jak gąbkę i łączysz warstwy, aby zwiększyć przenoszenie ładunku w tym kierunku” – powiedział Mohit. Naukowcy odkryli nakładanie warstw organicznych kationów między jodkiem na górze i napędzanie lepszych interakcji między warstwami na dole.

„Ta praca ma ważne implikacje dla badania stanów wzbudzonych i kwazicząstek, w których ładunek dodatni na jednej warstwie i ładunek ujemny na drugiej mogą ze sobą rozmawiać” – powiedział Mohit. „Są to tak zwane ekscytony, które mogą mieć wyjątkowe właściwości.

„Efekt ten dał nam możliwość zrozumienia i zaadaptowania tych podstawowych interakcji światło-materia bez tworzenia złożonych struktur heterogenicznych, takich jak dwuwymiarowe dichalkogenki metali przejściowych” – powiedział.

Eksperymenty zostały potwierdzone przez modele komputerowe kolegów z Francji. „Badania te zapewniły wyjątkową okazję do połączenia najnowocześniejszych technik symulacyjnych, badań fizycznych z wykorzystaniem wielkoskalowych krajowych obiektów synchrotronowych oraz charakterystyki działających ogniw słonecznych in-situ” – powiedział Jackie Even, profesor fizyki w INSA. „Artykuł po raz pierwszy pokazuje, jak zjawisko filtracji nagle wyzwala przepływ prądu ładunku w materiale perowskitowym”.

Wenbin Li, absolwent Rice University, przygotowuje ogniwo słoneczne z perowskitem 2D do testów w symulatorze słonecznym. Inżynierowie Rice zwiększyli wydajność ogniw perowskitowych 2D przy jednoczesnym zachowaniu ich wytrzymałości. Źródło: Jeff Fitlow/Rice University

Oba wyniki wykazały, że po 10 minutach przebywania w symulatorze słonecznym o gęstości jednego słońca dwuwymiarowy perowskit skurczył się o 0,4% długości io około 1% od góry do dołu. Pokazali, że efekt można zaobserwować w ciągu minuty poniżej intensywności piątego słońca.

„Nie wygląda to na dużo, ale ten 1% skurcz w odstępach międzysieciowych prowadzi do znacznego wzmocnienia przepływu elektronów” – powiedział Wenbin Lee, doktorant w Rice i współautor. „Nasze badania pokazują trzykrotny wzrost przewodnictwa elektronicznego materiału”.

Jednocześnie charakter siatki sprawił, że materiał był mniej podatny na uszkodzenia, nawet po podgrzaniu do 80 stopni Celsjusz (176 stopni F). Naukowcy odkryli również, że po wyłączeniu światła siatka szybko wróciła do swojego normalnego kształtu.

„Jedną z głównych zalet perowskitu 2D jest to, że zazwyczaj zawierają one atomy organiczne, które działają jak bariery dla wilgoci, są stabilne termicznie i rozwiązują problemy migracji jonów” – powiedział Siraj Siddik, doktorant i współautor. „Perowskity 3D podlegają niestabilności cieplnej i świetlnej, więc naukowcy zaczęli nakładać warstwy 2D na perowskit, aby sprawdzić, czy uda im się uzyskać to, co najlepsze.

„Pomyśleliśmy: 'Wybierzmy tylko 2D i sprawmy, aby był funkcjonalny” – powiedział.

Absolwent Rice University Wenbin Lee, inżynier chemik i biomolekular Aditya Mohit oraz doktorant Siraj Sidhik kierowali projektem, aby wyprodukować dwuwymiarowy wzmocniony perowskit do wydajnych ogniw słonecznych. Źródło: Jeff Fitlow/Rice University

Aby monitorować kurczenie się materiału w akcji, zespół wykorzystał dwa obiekty użytkownika Biura Nauki (DOE) Departamentu Energii USA (DOE): National Synchrotron Light Source II w Brookhaven National Laboratory Departamentu Energii oraz Advanced Photon Source (APS) w Departamencie Energii Argonne National. Laboratorium.

Fizyk argonny, Joe Strzałka, współautor artykułu, wykorzystał ultra-jasne promieniowanie rentgenowskie APS do uchwycenia w czasie rzeczywistym niewielkich zmian strukturalnych w materiale. Czułe instrumenty w Beamline 8-ID-E pozwalają APS na wykonywanie badań „operando”, to znaczy takich, które są przeprowadzane, gdy instrument podlega kontrolowanym zmianom temperatury lub środowiska w normalnych warunkach pracy. W tym przypadku Strzałka i współpracownicy odsłonili materiał fotoaktywny z ogniwa słonecznego, aby symulować światło słoneczne, utrzymując stałą temperaturę, i zaobserwowali niewielkie skurcze na poziomie atomowym.

W ramach eksperymentu kontrolnego Strzałka i jego koledzy utrzymywali również ciemność w pomieszczeniu i podnosili temperaturę, zauważając efekt odwrotny – rozszerzanie się materiału. To pokazało, że to samo światło, a nie wytwarzane przez nie ciepło, spowodowało transformację.

„Dla takich zmian ważne jest studiowanie opery” – powiedział Strzałka. „W ten sam sposób, w jaki twój mechanik chce uruchomić silnik, aby zobaczyć, co dzieje się w środku, zasadniczo chcemy nagrać film z tej zmiany, a nie pojedyncze ujęcie. Narzędzia takie jak APS pozwalają nam to zrobić.”

Strzalka zauważył, że APS jest w trakcie poważnej aktualizacji, która zwiększy jasność promieniowania rentgenowskiego nawet 500 razy. Powiedział, że po zakończeniu jaśniejsze wiązki i szybsze, wyraźniejsze detektory poprawią zdolność naukowców do wykrywania tych zmian z większą czułością.

Może to pomóc zespołowi Rice w modyfikowaniu materiałów w celu uzyskania lepszej wydajności. „Jesteśmy na dobrej drodze do uzyskania ponad 20% wydajności dzięki inżynierii kationów i interfejsów” – powiedział twój przyjaciel. „Zmieni to wszystko w dziedzinie perowskitu, ponieważ wtedy ludzie zaczną używać perowskitu 2D do synonimów perowskitu/krzemu 2D i perowskitu 2D/3D, co może pozwolić na wydajność bliską 30%. Dzięki temu będzie on atrakcyjny dla marketingu.”

Odniesienie: „Aktywowany światłem skurcz międzywarstwowy w dwuwymiarowym perowskicie dla wysokowydajnych ogniw słonecznych” autorstwa Wenbin Li, Siraj Seddhik, Boubacar Traore, Reza Asadpour, Jin Ho, Hao Zhang, Austin Ver, Joseph Eismann, Yaffee Wang i Justin M . Hoffman, Ioannis Spanopoulos, Jared J. Crochet, Esther Tsai, Joseph Strzałka, Claudine Cattan, Muhammed A. Alam, Mercury J. Kanatzidis, Jackie Even, Jean-Christophe Blancon i Aditya D. Mohti, 22 listopada 2021, Dostępne tutaj. Nanotechnologia natury.
DOI: 10.1038 / s41565-021-01010-2

Współautorami artykułu są absolwenci Rice Jin Ho, Hao Zhang i Austin Fehr, licencjat Joseph Eastman i student z wymiany Yaffe Wang oraz współautor Jean-Christophe Blancun, starszy naukowiec w laboratorium Mohita; Boubacar Traore, Claudine Cattan z INSA; Reza Asadpour i Muhammad Alam z Bordeaux; Justin Hoffman, Ioannis Spanopoulos i Mercury Kanatzidis z Północnego Zachodu; Jared jest szydełkowany przez Los Alamos, a Esther Tsai przez Brookhaven.

Badania wspierały Wojskowe Biuro Badawcze, Francuski Instytut Akademicki, Narodowa Fundacja Nauki (20-587, 1724728), Biuro Badań Marynarki (N00014-20-1-2725) oraz Biuro Nauki Departamentu Energii (AC02-06CH11357).