Ultraohuet aurinkokennot?

Ultraohuet aurinkokennot?

Ultraohuet aurinkokennot parantuneet: 2D-perovskiittiyhdisteissä on sopivat materiaalit isojen tuotteiden haastamiseen.

Ricen yliopiston insinöörit ovat saavuttaneet uusia vertailukohtia puolijohdeperovskiiteista valmistettujen atomimittakaavaisten aurinkokennojen suunnittelussa, mikä lisää niiden tehokkuutta säilyttäen samalla niiden kyvyn kestää ympäristöä.

Rice Universityn George R Brown School of Engineeringin Aditya Mohite -laboratorio havaitsi, että auringonvalo kutistaa kaksiulotteisen perovskiitin atomikerrosten välistä tilaa, mikä riittää lisäämään materiaalin aurinkosähkötehoa jopa 18 %, mikä on usein edistystä. . Kentällä on saavutettu fantastinen harppaus prosentteina mitattuna.

"10 vuodessa perovskiitin tehokkuus on noussut noin 3 prosentista yli 25 prosenttiin", Mohite sanoi. "Muiden puolijohteiden saavuttaminen vie noin 60 vuotta. Siksi olemme niin innoissamme."

Perovskiitti on yhdiste, jossa on kuutiohila ja se on tehokas valonkerääjä. Niiden potentiaali on ollut tiedossa monta vuotta, mutta heillä on ongelma: ne voivat muuttaa auringonvalon energiaksi, mutta auringonvalo ja kosteus voivat heikentää niitä.

"Aurinkokennoteknologian odotetaan kestävän 20-25 vuotta", sanoi Mohite, kemian ja biomolekyylitekniikan sekä materiaalitieteen ja nanotekniikan apulaisprofessori. "Olemme työskennelleet monta vuotta ja käytämme edelleen suuria perovskiiteja, jotka ovat erittäin tehokkaita, mutta eivät kovin vakaita. Sitä vastoin kaksiulotteisilla perovskiiteilla on erinomainen vakaus, mutta ne eivät ole riittävän tehokkaita katolle sijoitettavaksi.

"Suurin ongelma on tehdä niistä tehokkaita vaarantamatta vakautta."
Rice-insinöörit ja heidän työtoverinsa Purduen yliopistosta ja Northwestern Universitystä, Los Alamosista, Argonnessa ja Brookhavenista Yhdysvaltain energiaministeriön kansallisesta laboratoriosta sekä Institute of Electronics and Digital Technologysta (INSA) Rennesissä, Ranskassa, ja heidän työtoverinsa havaitsivat, että Jotkut kaksiulotteiset perovskiitit, auringonvalo kutistaa tehokkaasti atomien välistä tilaa, mikä lisää niiden kykyä kuljettaa sähkövirtaa.

"Huomasimme, että kun sytytät materiaalin, puristat sitä kuin sientä ja kokoat kerrokset yhteen parantaaksesi varauksen siirtoa tähän suuntaan", Mocht sanoi. Tutkijat havaitsivat, että orgaanisten kationien kerroksen sijoittaminen yläosassa olevan jodidin ja alaosan lyijyn väliin voi parantaa kerrosten välistä vuorovaikutusta.

"Tällä työllä on suuri merkitys tutkittaessa virittyneitä tiloja ja kvasihiukkasia, joissa yksi kerros positiivista varausta on toisella ja negatiivinen varaus on toisella, ja he voivat puhua keskenään", Mocht sanoi. "Näitä kutsutaan eksitoneiksi, ja niillä voi olla ainutlaatuisia ominaisuuksia.

"Tämä vaikutus antaa meille mahdollisuuden ymmärtää ja säätää näitä perusvalon ja aineen vuorovaikutuksia luomatta monimutkaisia ​​heterorakenteita, kuten pinottuja 2D-siirtymämetallidikalkogenideja", hän sanoi.

Ranskalaiset kollegat vahvistivat kokeen tietokonemallilla. Jacky Even, INSA:n fysiikan professori, sanoi: "Tämä tutkimus tarjoaa ainutlaatuisen mahdollisuuden yhdistää edistynein ab initio -simulaatioteknologia, materiaalitutkimus laajamittaisella kansallisella synkrotronilaitteistolla ja toiminnassa olevien aurinkokennojen in situ karakterisointi. ." "Tämä paperi kuvaa ensimmäistä kertaa, kuinka tihkumisilmiö yhtäkkiä vapauttaa latausvirran perovskiittimateriaalissa."

Molemmat tulokset osoittavat, että 10 minuutin aurinkosimulaattorille altistumisen jälkeen kaksiulotteinen perovskiitti kutistuu 0.4 % pituudellaan ja noin 1 % ylhäältä alas. He osoittivat, että vaikutus voitiin nähdä 1 minuutissa viiden auringon intensiteetin alla.

"Se ei kuulosta paljolta, mutta hilan etäisyyden kutistuminen 1 prosentilla lisää merkittävästi elektronivirtausta", sanoi Li Wenbin, Rice-alan jatko-opiskelija ja toinen pääkirjailija. "Tutkimuksemme osoittavat, että materiaalin sähköinen johtavuus on kolminkertaistunut."

Samanaikaisesti kidehilan luonne tekee materiaalista kestävän hajoamista, jopa kuumennettaessa 80 celsiusasteeseen (176 astetta Fahrenheit). Tutkijat havaitsivat myös, että hila rentoutuu nopeasti takaisin normaalitilaansa, kun valot sammutetaan.

"Yksi 2D-perovskiittien tärkeimmistä nähtävyyksistä on, että niissä on yleensä orgaanisia atomeja, jotka toimivat kosteusesteinä, ovat lämpöstabiileja ja ratkaisevat ionien kulkeutumisongelmia", sanoi jatko-opiskelija ja toinen pääkirjailija Siraj Sidhik. "3D-perovskiitit ovat alttiita lämmön ja valon epävakaudelle, joten tutkijat alkoivat laittaa 2D-kerroksia massiivisten perovskiittien päälle nähdäkseen, voisivatko ne hyödyntää molempia parhaalla mahdollisella tavalla.

"Ajattelemme, että siirrytään 2D:hen ja tehdään siitä tehokas", hän sanoi.

Seuratakseen materiaalin kutistumista työryhmä käytti kahta Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) tiedeviraston käyttäjätiloja: Yhdysvaltain energiaministeriön Brookhavenin kansallisen laboratorion kansallista synkrotronivalolähdettä II ja Advanced State Laboratorya. Yhdysvaltain energiaministeriön Argonnen kansallinen laboratorio. Fotonilähteen (APS) laboratorio.

Argonnen fyysikko Joe Strzalka, paperin toinen kirjoittaja, käyttää APS:n erittäin kirkkaita röntgensäteitä vangitakseen pieniä rakenteellisia muutoksia materiaaleissa reaaliajassa. APS-sädelinjan 8-ID-E:ssä oleva herkkä instrumentti mahdollistaa "toiminnalliset" tutkimukset, mikä tarkoittaa tutkimuksia, jotka suoritetaan, kun laitteistossa tapahtuu kontrolloituja lämpötilan tai ympäristön muutoksia normaaleissa käyttöolosuhteissa. Tässä tapauksessa Strzalka ja hänen kollegansa altistavat aurinkokennon valoherkän materiaalin simuloidulle auringonvalolle pitäen samalla lämpötilan vakiona ja havainneet pieniä supistuksia atomitasolla.

Kontrollikokeena Strzalka ja hänen kirjoittajansa pitivät huoneen pimeässä, nostivat lämpötilaa ja havaitsivat päinvastaisen vaikutuksen - materiaalin laajenemisen. Tämä viittaa siihen, että valo itse, ei sen tuottama lämpö, ​​aiheutti muutoksen.

"Tällaisten muutosten kannalta on tärkeää tehdä operatiivista tutkimusta", Strzalka sanoi. "Aivan kuin mekaanikkosi haluaa käyttää moottoriasi nähdäkseen, mitä siinä tapahtuu, haluamme pohjimmiltaan ottaa videon tästä muunnoksesta, emme yksittäistä tilannekuvaa. APS:n kaltaiset laitteet antavat meille mahdollisuuden tehdä tämän."

Strzalka huomautti, että APS on meneillään merkittävään päivitykseen lisätäkseen röntgensäteidensä kirkkautta jopa 500-kertaiseksi. Hän sanoi, että kun se on valmis, kirkkaammat säteet ja nopeammat, terävämmät ilmaisimet lisäävät tutkijoiden kykyä havaita nämä muutokset suuremmalla herkkyydellä.

Tämä voi auttaa Rice-tiimiä säätämään materiaalia suorituskyvyn parantamiseksi. "Suunnittelemme kationeja ja rajapintoja yli 20 prosentin tehokkuuden saavuttamiseksi", Sidhik sanoi. "Tämä muuttaa kaiken perovskiitin alalla, koska silloin ihmiset alkavat käyttää 2D-perovskiittia 2D-perovskiitti/pii- ja 2D/3D-perovskiittisarjoissa, mikä voi nostaa tehokkuuden lähelle 30%. Tämä tekee sen kaupallistamisesta houkuttelevaa."