Ofurþunnar sólarsellur?

Ofurþunnar sólarsellur?

Ofurþunnar sólarsellur endurbættar: 2D perovskite efnasambönd hafa viðeigandi efni til að ögra fyrirferðarmiklum vörum.

Verkfræðingar við Rice háskólann hafa náð nýjum viðmiðum í hönnun þunnra sólarrafrumna á frumeindamælikvarða úr hálfleiðara peróskítum, sem auka skilvirkni þeirra en viðhalda getu þeirra til að standast umhverfið.

Aditya Mohite rannsóknarstofan við George R Brown verkfræðiskóla Rice háskólans komst að því að sólarljós minnkar bilið á milli atómlaga í tvívíðum peróskíti, nóg til að auka ljósvirkni efnisins um allt að 18%, sem eru tíðar framfarir. . Stórkostlegt stökk hefur náðst á sviði og mælt í prósentum.

„Á 10 árum hefur skilvirkni perovskít aukist úr um 3% í meira en 25%,“ sagði Mohite. "Það mun taka um 60 ár að ná öðrum hálfleiðurum. Þess vegna erum við svo spennt."

Perovskite er efnasamband með teningsgrind og er duglegur ljósasafnari. Möguleikar þeirra hafa verið þekktir í mörg ár, en þeir eiga við vandamál að etja: Þeir geta breytt sólarljósi í orku, en sólarljós og raki geta brotið það niður.

„Það er gert ráð fyrir að sólarfrumutæknin endist í 20 til 25 ár,“ sagði Mohite, dósent í efna- og lífsameindaverkfræði og efnisfræði og nanóverkfræði. "Við höfum verið að vinna í mörg ár og höldum áfram að nota stóra peróskít sem eru mjög áhrifarík en ekki mjög stöðug. Aftur á móti hafa tvívíddar peróskítar framúrskarandi stöðugleika en eru ekki nógu duglegar til að setja á þakið.

„Stærsta vandamálið er að gera þær skilvirkar án þess að skerða stöðugleikann.“
Rice verkfræðingarnir og samstarfsmenn þeirra frá Purdue háskólanum og Northwestern háskólanum, Los Alamos, Argonne og Brookhaven frá bandaríska orkumálaráðuneytinu, og Institute of Electronics and Digital Technology (INSA) í Rennes, Frakklandi, og samstarfsmenn þeirra komust að því að í sum tvívídd perovskites, sólarljós minnkar í raun bilið milli atóma, eykur getu þeirra til að flytja rafstraum.

„Við komumst að því að þegar þú kveikir í efninu, kreistir þú það eins og svampur og safnar lögum saman til að auka hleðsluflutninginn í þá átt,“ sagði Mocht. Rannsakendur komust að því að það að setja lag af lífrænum katjónum á milli joðíðsins efst og blýsins á botninum getur aukið samspil laganna.

„Þetta verk hefur mikla þýðingu fyrir rannsóknir á spenntum ástandi og hálfkornaeindum, þar sem eitt lag af jákvæðri hleðslu er á hinu, og neikvæða hleðslan er á hinu, og þau geta talað saman,“ sagði Mocht. „Þetta eru kallaðir örvandi efni og geta haft einstaka eiginleika.

"Þessi áhrif gera okkur kleift að skilja og stilla þessar grunnsamskipti ljóss og efnis án þess að búa til flóknar heterobyggingar eins og staflað tvívíddar tvívíddar umbreytingarmálm tvíkalkógeníð," sagði hann.

Samstarfsmenn í Frakklandi staðfestu tilraunina með tölvulíkani. Jacky Even, prófessor í eðlisfræði við INSA, sagði: "Þessar rannsóknir gefa einstakt tækifæri til að sameina fullkomnustu ab initio hermitækni, efnisrannsóknir þar sem notaðar eru stórfelldar innlendar samstillir aðstöðu og á staðnum lýsingu á sólarsellum í rekstri. ." „Þessi grein lýsir því í fyrsta skipti hvernig sigpfyrirbæri losar skyndilega hleðslustrauminn í peróskítefninu.“

Báðar niðurstöðurnar sýna að eftir 10 mínútna útsetningu fyrir sólarherminum við sólarstyrk, minnkar tvívítt peróskítið um 0.4% eftir endilöngu sinni og um 1% frá toppi til botns. Þeir sönnuðu að áhrifin gætu sést innan 1 mínútu við fimm sólarstyrki.

„Það hljómar ekki eins mikið, en 1% rýrnun á grindarbilinu mun valda verulegri aukningu á rafeindaflæði,“ sagði Li Wenbin, framhaldsnemi í Rice og annar aðalhöfundur. "Rannsóknir okkar sýna að rafræn leiðni efnisins hefur þrefaldast."

Á sama tíma gerir eðli kristalgrindarinnar efnið ónæmt fyrir niðurbroti, jafnvel þegar það er hitað í 80 gráður á Celsíus (176 gráður á Fahrenheit). Rannsakendur komust einnig að því að grindurnar slaka fljótt aftur á staðlaðar stillingar þegar slökkt er á ljósunum.

„Eitt helsta aðdráttarafl tvívíddar peróskíta er að þau hafa venjulega lífræn atóm sem virka sem rakahindranir, eru hitastöðugleikar og leysa jónaflutningsvandamál,“ sagði framhaldsnemi og annar aðalhöfundur Siraj Sidhik. „2D perovskites eru viðkvæmir fyrir hita- og ljósóstöðugleika, þannig að vísindamenn byrjuðu að setja 3D lög ofan á gríðarstór perovskites til að sjá hvort þeir gætu nýtt sér hvort tveggja.

„Við hugsum að við skulum bara skipta yfir í tvívídd og gera það skilvirkt,“ sagði hann.

Til að fylgjast með rýrnun efnisins notaði teymið tvær notendaaðstöðu bandaríska orkumálaráðuneytisins (DOE) vísindaskrifstofu: National Synchrotron Light Source II í Brookhaven National Laboratory of US Department of Energy og Advanced State Laboratory of Argonne National Laboratory hjá bandaríska orkumálaráðuneytinu. Ljósmyndauppspretta (APS) rannsóknarstofa.

Argonne eðlisfræðingur Joe Strzalka, meðhöfundur blaðsins, notar ofurbjarta röntgengeisla APS til að fanga litlar byggingarbreytingar á efnum í rauntíma. Viðkvæma tækið við 8-ID-E á APS geislalínunni gerir ráð fyrir "rekstrarrannsóknum", sem þýðir rannsóknir sem gerðar eru þegar búnaðurinn gangast undir stýrðar breytingar á hitastigi eða umhverfi við venjulegar notkunaraðstæður. Í þessu tilviki útsettu Strzalka og félagar hans ljósnæma efni í sólarfrumunni fyrir eftirlíkingu af sólarljósi á sama tíma og þeir héldu hitastigi stöðugu og sáu örsmáar samdrætti á atómstigi.

Sem viðmiðunartilraun héldu Strzalka og meðhöfundar herberginu myrkri, hækkuðu hitastigið og sáu öfug áhrif - efnisþenslu. Þetta bendir til þess að ljósið sjálft, ekki hitinn sem það myndar, hafi valdið umbreytingunni.

"Fyrir slíkar breytingar er mikilvægt að framkvæma rekstrarrannsóknir," sagði Strzalka. "Rétt eins og vélvirki þinn vill keyra vélina þína til að sjá hvað er að gerast í henni, viljum við í rauninni taka myndband af þessari umbreytingu, ekki eina skyndimynd. Aðstaða eins og APS gerir okkur kleift að gera þetta."

Strzalka benti á að APS væri að gangast undir verulega uppfærslu til að auka birtustig röntgengeisla um allt að 500 sinnum. Hann sagði að þegar henni lýkur muni bjartari geislar og hraðari, skarpari skynjarar auka getu vísindamanna til að greina þessar breytingar af meiri næmni.

Þetta getur hjálpað Rice teyminu að stilla efnið fyrir betri frammistöðu. „Við erum að hanna katjónir og viðmót til að ná yfir 20% skilvirkni,“ sagði Sidhik. "Þetta mun breyta öllu á peróskítsviðinu því þá mun fólk byrja að nota 2D peróskít fyrir 2D peróskít/kísil og 2D/3D peróskít seríur, sem getur fært skilvirknina nálægt 30%. Þetta mun gera markaðssetningu þess aðlaðandi."