Ultra-dënn Solarzellen?

Ultra-dënn Solarzellen?

Ultra-dënn Solarzellen verbessert: 2D Perovskite Verbindungen hunn déi gëeegent Materialien fir voluminöse Produkter erauszefuerderen.

D'Ingenieuren vun der Rice University hunn nei Benchmarks erreecht fir dënn Solarzellen op atomarer Skala aus Halbleiter-Perovskiten ze designen, hir Effizienz erhéijen an hir Fäegkeet fir d'Ëmwelt z'erhalen.

Den Aditya Mohite Laboratoire vun der George R Brown School of Engineering vun der Rice University huet festgestallt datt Sonneliicht de Raum tëscht den atomesche Schichten an engem zweedimensionalen Perovskit schrumpft, genuch fir d'photovoltaesch Effizienz vum Material ëm sou vill wéi 18% ze erhéijen, wat dacks Fortschrëtter ass. . E fantastesche Sprong gouf am Feld erreecht an a Prozenter gemooss.

"An 10 Joer ass d'Effizienz vum Perovskite vun ongeféier 3% op méi wéi 25% eropgaang", sot Mohite. "Aner Hallefleitunge wäerten ongeféier 60 Joer daueren fir z'erreechen. Dofir si mir sou opgereegt."

Perovskite ass eng Verbindung mat engem kubesche Gitter an ass en effiziente Liichtkollektor. Hir Potenzial ass scho vill Jore bekannt, awer si hunn e Problem: Si kënne Sonneliicht an Energie ëmsetzen, awer Sonneliicht a Feuchtigkeit kënnen se ofbauen.

"Solarzelltechnologie gëtt erwaart fir 20 bis 25 Joer ze daueren", sot de Mohite, Associé Professer fir chemesch a biomolekulär Ingenieur a Materialwëssenschaft an Nanoingenieur. "Mir schaffen zënter ville Joeren a benotzen weider grouss Perovskiten, déi ganz effektiv, awer net ganz stabil sinn. Am Géigesaz hunn zweedimensional Perovskiten eng exzellente Stabilitéit, awer net effizient genuch fir op den Daach ze setzen.

"De gréisste Problem ass se effizient ze maachen ouni d'Stabilitéit ze kompromittéieren."
D'Rice Ingenieuren an hir Kollaborateure vun der Purdue University an der Northwestern University, Los Alamos, Argonne a Brookhaven vum US Department of Energy National Laboratory, an dem Institut fir Elektronik an Digital Technologie (INSA) zu Rennes, Frankräich, an hir Kollaborateuren hu festgestallt datt an puer zwee-zweedimensional perovskites, Sonneluucht shrinks effektiv de Raum tëscht Atomer, Erhéijung vun hirer Fähegkeet elektresche Stroum ze droen.

"Mir hunn erausfonnt datt wann Dir d'Material entzündt, dréckt Dir et wéi e Schwamm an sammelt d'Schichten zesummen fir de Ladungstransfer an déi Richtung ze verbesseren", sot Mocht. D'Fuerscher hunn erausfonnt datt eng Schicht vun organeschen Kationen tëscht dem Jodid op der Spëtzt an dem Blei um Enn d'Interaktioun tëscht de Schichten verbesseren kann.

"Dës Aarbecht ass vu grousser Bedeitung fir d'Studie vun opgereegte Staaten a Quasipartikelen, wou eng Schicht vu positiver Ladung op der anerer ass, an déi negativ Ladung op der anerer, a si kënne matenee schwätzen", sot Mocht. "Dës ginn excitons genannt, a si kënnen eenzegaarteg Eegeschaften hunn.

"Dësen Effekt erlaabt eis dës Basis Liicht-Matière Interaktiounen ze verstoen an unzepassen ouni komplex Heterostrukturen ze kreéieren wéi gestapelt 2D Iwwergangsmetall Dikalcogeniden," sot hien.

Kollegen a Frankräich hunn den Experiment mat engem Computermodell bestätegt. Jacky Even, Professer fir Physik um INSA, sot: "Dës Fuerschung bitt eng eenzegaarteg Geleeënheet fir déi fortgeschratt ab initio Simulatiounstechnologie ze kombinéieren, Materialfuerschung mat grousser nationaler Synchrotronanlagen an in-situ Charakteriséierung vu Solarzellen an der Operatioun. ". "Dëse Pabeier beschreift fir d'éischte Kéier wéi de Seepage-Phänomen op eemol de Ladestroum am Perovskite-Material verëffentlecht."

Béid Resultater weisen datt no 10 Minutte Belaaschtung vum Sonnesimulator bei enger Sonnenintensitéit den zweedimensionalen Perovskit ëm 0.4% laanscht seng Längt a ronn 1% vun uewen no ënnen schrumpft. Si hunn bewisen datt den Effekt bannent 1 Minutt ënner fënnef Sonneintensitéiten ze gesinn ass.

"Et kléngt net wéi vill, awer en 1% Schrumpfung vun der Gitterabstand wäert eng substantiell Erhéijung vum Elektronenfloss verursaachen", sot de Li Wenbin, e Graduéierter Student am Rice a Co-Lead Autor. "Eis Fuerschung weist datt d'elektronesch Leedung vum Material dräifach eropgaang ass."

Zur selwechter Zäit mécht d'Natur vum Kristallgitter d'Material resistent géint Degradatioun, och wann et op 80 Grad Celsius (176 Grad Fahrenheit) erhëtzt gëtt. D'Fuerscher hunn och festgestallt datt d'Gitter séier zréck op seng Standardkonfiguratioun entspaant wann d'Luuchten ausgeschalt sinn.

"Ee vun den Haaptattraktiounen vun 2D Perovskites ass datt se normalerweis organesch Atomer hunn, déi als Fiichtegkeetsbarrièren handelen, thermesch stabil sinn an Ionemigratiounsproblemer léisen", sot de Graduéierter Student a Co-Lead Autor Siraj Sidhik. "3D Perovskite sinn ufälleg fir thermesch a liicht Instabilitéit, sou datt d'Fuerscher ugefaang hunn 2D Schichten op massive Perovskiten ze setzen fir ze kucken ob se déi meescht vun deenen zwee kënne maachen.

"Mir denken, loosst eis einfach op 2D wiesselen an et effizient maachen," sot hien.

Fir d'Schrumpfung vum Material ze beobachten, huet d'Team zwee Benotzeranlagen vum US Department of Energy (DOE) Office of Science benotzt: d'National Synchrotron Light Source II vum Brookhaven National Laboratory vum US Department of Energy an dem Advanced State Laboratory vun den US Department of Energy's Argonne National Laboratory. Photon Source (APS) Laboratoire.

Den Argonne Physiker Joe Strzalka, de Co-Autor vum Pabeier, benotzt APS's ultra-helle Röntgenstrahlen fir kleng strukturell Ännerungen an de Materialien an Echtzäit ze erfassen. Dat sensibelt Instrument an der 8-ID-E vun der APS Beamline erlaabt "operationell" Studien, dat heescht Studien, déi gemaach gi wann d'Ausrüstung kontrolléiert Verännerungen an der Temperatur oder Ëmfeld ënner normalen Operatiounsbedingunge mécht. An dësem Fall hunn de Strzalka a seng Kollegen dat fotosensibelt Material an der Solarzelle fir simuléiert Sonneliicht ausgesat, während d'Temperatur konstant gehale gouf a kleng Kontraktioune um atomesche Niveau observéiert hunn.

Als Kontrollexperiment hunn Strzalka a seng Co-Autoren de Raum däischter gehal, d'Temperatur erhéicht an de Géigendeel Effekt beobachtet - materiell Expansioun. Dëst hindeit datt d'Liicht selwer, net d'Hëtzt déi et generéiert, d'Transformatioun verursaacht huet.

"Fir esou Ännerungen ass et wichteg operationell Fuerschung ze maachen," sot Strzalka. "Gläich wéi Äre Mecanicien wëllt Äre Motor lafen fir ze kucken wat dran lass ass, wëlle mir am Fong e Video vun dëser Konversioun maachen, net eng eenzeg Snapshot. Ariichtungen wéi APS erlaben eis dëst ze maachen."

De Strzalka huet drop higewisen datt d'APS e wesentlechen Upgrade mécht fir d'Hellegkeet vu senge Röntgenstrahlen bis zu 500 Mol ze erhéijen. Hien huet gesot datt wann et fäerdeg ass, méi hell Strahlen a méi séier, méi schaarf Detektoren d'Fäegkeet vun de Wëssenschaftler erhéijen fir dës Ännerungen mat méi grousser Sensibilitéit z'entdecken.

Dëst kann dem Rice Team hëllefen d'Material fir eng besser Leeschtung unzepassen. "Mir designen Kationen an Interfaces fir Effizienz vu méi wéi 20% z'erreechen", sot Sidhik. "Dëst wäert alles am Perovskite Feld änneren, well dann fänken d'Leit 2D Perovskite fir 2D Perovskite / Silizium an 2D / 3D Perovskite Serie ze benotzen, wat d'Effizienz no bei 30% bréngt. Dëst wäert seng Kommerzialiséierung attraktiv maachen."