Ċelluli solari ultra-rqaq?

Ċelluli solari ultra-rqaq?

Ċelluli solari ultra-rqaq imtejba: Il-komposti tal-perovskite 2D għandhom il-materjali xierqa biex jisfidaw prodotti goffi.

L-inġiniera fl-Università ta’ Rice kisbu punti ta’ referenza ġodda fit-tfassil ta’ ċelloli solari rqaq fuq skala atomika magħmula minn perovskites semikondutturi, u żiedu l-effiċjenza tagħhom filwaqt li żammew il-kapaċità tagħhom li jifilħu l-ambjent.

Il-laboratorju Aditya Mohite tal-Iskola tal-Inġinerija George R Brown tal-Università ta’ Rice sab li d-dawl tax-xemx iċċekken l-ispazju bejn is-saffi atomiċi f’perovskite bidimensjonali, biżżejjed biex tiżdied l-effiċjenza fotovoltajka tal-materjal sa 18%, li huwa progress frekwenti . Inkiseb qabża meraviljuża fil-qasam u mkejla f'perċentwali.

"F'10 snin, l-effiċjenza tal-perovskite żdiedet minn madwar 3% għal aktar minn 25%," qal Mohite. "Semikondutturi oħra se jieħdu madwar 60 sena biex jinkisbu. Huwa għalhekk li aħna daqshekk eċċitati."

Perovskite huwa kompost b'kannizzata kubu u huwa kollettur effiċjenti tad-dawl. Il-potenzjal tagħhom ilu magħruf għal ħafna snin, iżda għandhom problema: Jistgħu jikkonvertu d-dawl tax-xemx f'enerġija, iżda d-dawl tax-xemx u l-umdità jistgħu jiddegradawhom.

"It-teknoloġija taċ-ċelloli solari hija mistennija li ddum minn 20 sa 25 sena," qal Mohite, professur assoċjat tal-inġinerija kimika u bijomolekulari u x-xjenza tal-materjali u n-nanoinġinerija. "Ilna naħdmu għal ħafna snin u nkomplu nużaw perovskites kbar li huma effettivi ħafna iżda mhux stabbli ħafna. B'kuntrast, perovskites bidimensjonali għandhom stabbiltà eċċellenti iżda mhumiex effiċjenti biżżejjed biex jitqiegħdu fuq il-bejt.

"L-akbar problema hija li tagħmilhom effiċjenti mingħajr ma tiġi kompromessa l-istabbiltà."
L-inġiniera Rice u l-kollaboraturi tagħhom minn Purdue University u Northwestern University, Los Alamos, Argonne u Brookhaven tad-Dipartiment tal-Enerġija tal-Laboratorju Nazzjonali tal-Istati Uniti, u l-Istitut tal-Electronics and Digital Technology (INSA) f’Rennes, Franza, u l-kollaboraturi tagħhom sabu li Fil xi perovskites bidimensjonali, id-dawl tax-xemx effettivament iċċekken l-ispazju bejn l-atomi, iżidu l-kapaċità tagħhom li jġorru l-kurrent elettriku.

"Sibna li meta taqbad il-materjal, tagħfasha bħal sponża u tiġbor is-saffi flimkien biex ittejjeb it-trasferiment ta 'ċarġ f'dik id-direzzjoni," qal Mocht. Ir-riċerkaturi sabu li t-tqegħid ta 'saff ta' katjoni organiċi bejn il-jodur fuq nett u ċ-ċomb fuq il-qiegħ jista 'jtejjeb l-interazzjoni bejn is-saffi.

"Dan ix-xogħol huwa ta 'sinifikat kbir għall-istudju ta' stati eċċitati u quasiparticles, fejn saff wieħed ta 'ċarġ pożittiv huwa fuq l-ieħor, u l-ħlas negattiv huwa fuq l-oħra, u jistgħu jitkellmu ma' xulxin," qal Mocht. “Dawn jissejħu excitons, u jista’ jkollhom proprjetajiet uniċi.

"Dan l-effett jippermettilna nifhmu u naġġustaw dawn l-interazzjonijiet bażiċi tal-materja ħafifa mingħajr ma noħolqu eterostrutturi kumplessi bħal dichalcogenides tal-metall ta 'transizzjoni 2D f'munzelli," huwa qal.

Kollegi fi Franza kkonfermaw l-esperiment b'mudell tal-kompjuter. Jacky Even, Professur tal-Fiżika fl-INSA, qal: "Din ir-riċerka tipprovdi opportunità unika biex tgħaqqad it-teknoloġija ta' simulazzjoni ab initio l-aktar avvanzata, riċerka materjali li tuża faċilitajiet ta' sinkrotron nazzjonali fuq skala kbira, u karatterizzazzjoni in-situ ta' ċelloli solari li qed jaħdmu. Għaqqad ." "Dan id-dokument jiddeskrivi għall-ewwel darba kif il-fenomenu ta 'infiltrazzjoni f'daqqa jirrilaxxa l-kurrent tal-iċċarġjar fil-materjal perovskite."

Iż-żewġ riżultati juru li wara 10 minuti ta 'espożizzjoni għas-simulatur solari f'intensità solari, il-perovskite bidimensjonali tiċkien b'0.4% tul it-tul tagħha u madwar 1% minn fuq għal isfel. Huma wrew li l-effett seta' jidher fi żmien minuta taħt ħames intensitajiet tax-xemx.

"Ma jidhirx ħafna, iżda tnaqqis ta '1% tal-ispazjar tal-kannizzata se jikkawża żieda sostanzjali fil-fluss tal-elettroni," qal Li Wenbin, student gradwat fir-Ross u ko-awtur ewlieni. "Ir-riċerka tagħna turi li l-konduzzjoni elettronika tal-materjal żdiedet tliet darbiet."

Fl-istess ħin, in-natura tal-kannizzata tal-kristall tagħmel il-materjal reżistenti għad-degradazzjoni, anke meta jissaħħan sa 80 grad Celsius (176 grad Fahrenheit). Ir-riċerkaturi sabu wkoll li l-kannizzata malajr tirrilassa lura għall-konfigurazzjoni standard tagħha ladarba d-dwal jintfew.

"Waħda mill-attrazzjonijiet ewlenin tal-perovskites 2D hija li ġeneralment ikollhom atomi organiċi li jaġixxu bħala barrieri tal-umdità, huma termalment stabbli, u jsolvu problemi ta 'migrazzjoni tal-joni," qal student gradwat u ko-awtur ewlieni Siraj Sidhik. “Il-perovskiti 3D huma suxxettibbli għall-instabilità termali u tad-dawl, għalhekk ir-riċerkaturi bdew ipoġġu saffi 2D fuq perovskiti massivi biex jaraw jekk jistgħux jagħmlu l-aħjar mit-tnejn.

"Aħna naħsbu, ejja naqilbu għal 2D u nagħmluha effiċjenti," qal.

Biex josserva t-tnaqqis tal-materjal, it-tim uża żewġ faċilitajiet tal-utent tal-Uffiċċju tax-Xjenza tad-Dipartiment tal-Enerġija tal-Istati Uniti (DOE): is-Sors tad-Dawl Nazzjonali tas-Sinkrotron II tal-Laboratorju Nazzjonali ta 'Brookhaven tad-Dipartiment tal-Enerġija tal-Istati Uniti u l-Laboratorju tal-Istat Avvanzat ta' il-Laboratorju Nazzjonali Argonne tad-Dipartiment tal-Enerġija tal-Istati Uniti. Laboratorju tas-Sors tal-Photon (APS).

Il-fiżiku ta 'Argonne Joe Strzalka, il-ko-awtur tal-karta, juża r-raġġi X ultra-bright ta' APS biex jaqbad bidliet strutturali żgħar fil-materjali f'ħin reali. L-istrument sensittiv fit-8-ID-E tal-linja tar-raġġ APS jippermetti studji "operazzjonali", li jfisser studji mwettqa meta t-tagħmir jgħaddi minn bidliet ikkontrollati fit-temperatura jew fl-ambjent taħt kundizzjonijiet operattivi normali. F'dan il-każ, Strzalka u l-kollegi tiegħu esponew il-materjal fotosensittiv fiċ-ċellula solari għal dawl tax-xemx simulat filwaqt li żammew it-temperatura kostanti u osservaw kontrazzjonijiet żgħar fil-livell atomiku.

Bħala esperiment ta 'kontroll, Strzalka u l-ko-awturi tiegħu żammew il-kamra mudlama, żiedu t-temperatura, u osservaw l-effett oppost—espansjoni tal-materjal. Dan jissuġġerixxi li d-dawl innifsu, mhux is-sħana li tiġġenera, ikkawżat it-trasformazzjoni.

"Għal bidliet bħal dawn, huwa importanti li titwettaq riċerka operattiva," qal Strzalka. "L-istess bħall-mekkanik tiegħek irid iħaddem il-magna tiegħek biex jara x'inhu għaddej fiha, essenzjalment irridu nieħdu vidjo ta 'din il-konverżjoni, mhux stampa waħda. Faċilitajiet bħal APS jippermettulna nagħmlu dan."

Strzalka rrimarka li l-APS għaddej minn titjib sinifikanti biex iżid il-luminożità tar-raġġi-X tiegħu sa 500 darba. Qal li meta titlesta, travi isbaħ u ditekters aktar veloċi u li jaqtgħu se jżidu l-kapaċità tax-xjenzati li jiskopru dawn il-bidliet b'sensittività akbar.

Dan jista 'jgħin lit-tim tar-Ross jaġġusta l-materjal għal prestazzjoni aħjar. "Qed niddisinjaw katjoni u interfaces biex niksbu effiċjenzi ta 'aktar minn 20%," qal Sidhik. "Dan se jbiddel kollox fil-qasam tal-perovskite għax imbagħad in-nies jibdew jużaw 2D perovskite għal 2D perovskite/silikon u 2D/3D perovskite serje, li jistgħu jġibu l-effiċjenza qrib 30%. Dan se jagħmel il-kummerċjalizzazzjoni tiegħu hija attraenti."