Ультратонкі сонячні батареї?

Ультратонкі сонячні батареї?

Удосконалено ультратонкі сонячні батареї: двовимірні сполуки перовскіту мають відповідні матеріали для боротьби з громіздкими продуктами.

Інженери Університету Райса досягли нових стандартів у розробці тонких сонячних батарей атомного масштабу, виготовлених з напівпровідникових перовскітів, підвищивши їх ефективність, зберігши їх здатність протистояти навколишньому середовищу.

Лабораторія Адитья Мохіта з Інженерної школи Джорджа Р. Брауна Університету Райса виявила, що сонячне світло зменшує простір між атомними шарами в двовимірному перовскіті, достатнього для збільшення фотоелектричної ефективності матеріалу на цілих 18%, що є частим прогресом. . У цій галузі було досягнуто фантастичного стрибка, який вимірюється у відсотках.

«За 10 років ефективність перовскіту зросла приблизно з 3% до більш ніж 25%», — сказав Мохіт. «Для інших напівпровідників знадобиться близько 60 років, щоб досягти цього. Ось чому ми так схвильовані».

Перовскіт являє собою з'єднання з кубічною решіткою і є ефективним світлоколектором. Їх потенціал відомий вже багато років, але у них є проблема: вони можуть перетворювати сонячне світло в енергію, але сонячне світло і волога можуть погіршити їх.

«Очікується, що технологія сонячних елементів триватиме від 20 до 25 років», — сказав Мохайт, доцент кафедри хімічної та біомолекулярної інженерії та матеріалознавства та наноінженерії. «Ми працюємо багато років і продовжуємо використовувати великі перовскіти, які дуже ефективні, але не дуже стабільні. На відміну від цього, двовимірні перовскіти мають чудову стабільність, але недостатньо ефективні для розміщення на даху.

«Найбільша проблема полягає в тому, щоб зробити їх ефективними без шкоди для стабільності».
Інженери Райса та їхні співробітники з Університету Пердью та Північно-Західного університету, Лос-Аламос, Аргонн і Брукхейвен з Національної лабораторії Департаменту енергетики США та Інституту електроніки та цифрових технологій (INSA) у Ренні, Франція, та їхні співробітники виявили, що в У деяких двовимірних перовскітах сонячне світло ефективно звужує простір між атомами, збільшуючи їх здатність переносити електричний струм.

«Ми виявили, що коли ви запалюєте матеріал, ви стискаєте його, як губку, і збираєте шари разом, щоб посилити передачу заряду в цьому напрямку», — сказав Мохт. Дослідники виявили, що розміщення шару органічних катіонів між йодидом зверху і свинцем знизу може посилити взаємодію між шарами.

«Ця робота має велике значення для вивчення збуджених станів і квазічастинок, де один шар позитивного заряду знаходиться на іншому, а негативний – на іншому, і вони можуть спілкуватися один з одним», – сказав Мохт. «Вони називаються екситонами, і вони можуть мати унікальні властивості.

«Цей ефект дозволяє нам розуміти та коригувати ці основні взаємодії світла та речовини, не створюючи складних гетероструктур, таких як складені двовимірні дихалькогеніди перехідних металів», — сказав він.

Колеги у Франції підтвердили експеримент з комп’ютерною моделлю. Джекі Евен, професор фізики в INSA, сказав: «Це дослідження дає унікальну можливість поєднати найсучаснішу технологію моделювання ab initio, дослідження матеріалів з використанням великомасштабних національних синхротронних установок та характеристику сонячних елементів, що працюють на місці. ». «У цій статті вперше описано, як явище просочування раптово вивільняє зарядний струм у матеріалі перовскіту».

Обидва результати показують, що після 10 хвилин впливу сонячного симулятора при сонячній інтенсивності двовимірний перовскіт стискається на 0.4% по довжині і приблизно на 1% зверху вниз. Вони довели, що ефект можна побачити протягом 1 хвилини під впливом п'яти інтенсивностей сонця.

«Звучить не так багато, але 1% усадка між решіткою призведе до істотного збільшення потоку електронів», — сказав Лі Венбінь, аспірант Райс і один із провідних авторів. «Наше дослідження показує, що електронна провідність матеріалу зросла втричі».

У той же час природа кристалічної решітки робить матеріал стійким до деградації навіть при нагріванні до 80 градусів Цельсія (176 градусів за Фаренгейтом). Дослідники також виявили, що решітка швидко повертається до своєї стандартної конфігурації після вимкнення освітлення.

«Одною з головних переваг двовимірних перовскітів є те, що вони зазвичай мають органічні атоми, які діють як бар’єри для вологості, термічно стабільні та вирішують проблеми міграції іонів», – сказав аспірант і один із провідних авторів дослідження Сірадж Сідхік. «2D-перовскіти схильні до термічної та світлової нестабільності, тому дослідники почали накладати двовимірні шари поверх масивних перовскітів, щоб побачити, чи зможуть вони максимально використати обидва.

"Ми думаємо, давайте просто перейдемо на 2D і зробимо його ефективним", - сказав він.

Щоб спостерігати за усадкою матеріалу, команда використовувала два користувальницькі засоби Управління науки Міністерства енергетики США (DOE): Національне синхротронне джерело світла II Брукхейвенської національної лабораторії Міністерства енергетики США та передову державну лабораторію Аргонська національна лабораторія Міністерства енергетики США. Лабораторія джерела фотонів (APS).

Фізик з Аргонне Джо Стжалка, співавтор статті, використовує надяскраві рентгенівські промені APS для фіксації невеликих структурних змін у матеріалах в режимі реального часу. Чутливий інструмент на 8-ID-E лінії променів APS дозволяє проводити «оперативні» дослідження, тобто дослідження, що проводяться, коли обладнання зазнає контрольованих змін температури або навколишнього середовища за нормальних умов експлуатації. У цьому випадку Стржалка та його колеги піддали світлочутливий матеріал у сонячній батареї імітації сонячного світла, підтримуючи постійну температуру, і спостерігали крихітні скорочення на атомному рівні.

В якості контрольного експерименту Стжалка та його співавтори тримали кімнату в темряві, підвищували температуру і спостерігали протилежний ефект — розширення матеріалу. Це говорить про те, що саме світло, а не тепло, яке воно генерує, спричинило перетворення.

«Для таких змін важливо проводити оперативні дослідження», – сказав Стжалка. «Так само, як ваш механік хоче запустити ваш двигун, щоб побачити, що в ньому відбувається, ми по суті хочемо зробити відео цього перетворення, а не єдиний знімок. Такі засоби, як APS, дозволяють нам це робити».

Стржалка зазначив, що APS зазнає значного оновлення, щоб збільшити яскравість рентгенівського випромінювання до 500 разів. Він сказав, що коли це буде завершено, яскравіші промені та швидші й гостріші детектори підвищать здатність вчених виявляти ці зміни з більшою чутливістю.

Це може допомогти команді Rice налаштувати матеріал для кращої продуктивності. «Ми розробляємо катіони та інтерфейси, щоб досягти ефективності понад 20%», – сказав Сідхік. «Це змінить все в області перовскіту, тому що тоді люди почнуть використовувати 2D перовскіт для серії 2D перовскіту/кремнію та 2D/3D перовскіту, що може наблизити ефективність близько 30%. Це зробить його комерціалізацію привабливою».