Células solares ultrafinas?

Células solares ultrafinas?

Melloráronse as células solares ultrafinas: os compostos de perovskita 2D teñen os materiais axeitados para desafiar produtos voluminosos.

Os enxeñeiros da Universidade de Rice acadaron novos puntos de referencia no deseño de células solares delgadas a escala atómica feitas de perovskitas semicondutores, aumentando a súa eficiencia mantendo a súa capacidade de soportar o medio ambiente.

O laboratorio Aditya Mohite da Escola de Enxeñaría George R Brown da Universidade de Rice descubriu que a luz solar encolle o espazo entre as capas atómicas nunha perovskita bidimensional, o suficiente para aumentar a eficiencia fotovoltaica do material ata nun 18%, o que é un progreso frecuente. . Conseguiuse un salto fantástico no campo e medido en porcentaxes.

"En 10 anos, a eficiencia da perovskita disparouse de preto do 3% a máis do 25%", dixo Mohite. "Os outros semicondutores tardarán uns 60 anos en lograr. Por iso estamos tan entusiasmados".

A perovskita é un composto cunha rede cúbica e é un colector eficiente de luz. O seu potencial coñécese dende hai moitos anos, pero teñen un problema: poden converter a luz solar en enerxía, pero a luz solar e a humidade poden degradalas.

"Espérase que a tecnoloxía das células solares dure entre 20 e 25 anos", dixo Mohite, profesor asociado de enxeñería química e biomolecular e ciencia dos materiais e nanoenxeñería. "Levamos moitos anos traballando e seguimos utilizando grandes perovskitas que son moi eficaces pero pouco estables. Pola contra, as perovskitas bidimensionais teñen unha excelente estabilidade pero non son o suficientemente eficientes como para colocalas no tellado.

"O maior problema é facelos eficientes sen comprometer a estabilidade".
Os enxeñeiros de Rice e os seus colaboradores da Universidade de Purdue e da Universidade Northwestern, Los Alamos, Argonne e Brookhaven do Laboratorio Nacional do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos e o Instituto de Electrónica e Tecnoloxía Dixital (INSA) de Rennes, Francia, e os seus colaboradores descubriron que En nalgunhas perovskitas bidimensionais, a luz solar reduce efectivamente o espazo entre os átomos, aumentando a súa capacidade para transportar corrente eléctrica.

"Descubrimos que cando acendes o material, esprémeso como unha esponxa e xuntas as capas para mellorar a transferencia de carga nesa dirección", dixo Mocht. Os investigadores descubriron que colocar unha capa de catións orgánicos entre o ioduro na parte superior e o chumbo na parte inferior pode mellorar a interacción entre as capas.

"Este traballo é de gran importancia para o estudo dos estados excitados e das cuasipartículas, onde unha capa de carga positiva está na outra, e a carga negativa está na outra, e poden falar entre si", dixo Mocht. "Estes chámanse excitóns e poden ter propiedades únicas.

"Este efecto permítenos comprender e axustar estas interaccións básicas luz-materia sen crear heteroestruturas complexas como dicalcoxenuros de metais de transición 2D apilados", dixo.

Os colegas en Francia confirmaron o experimento cun modelo informático. Jacky Even, profesor de Física do INSA, dixo: "Esta investigación ofrece unha oportunidade única para combinar a tecnoloxía de simulación ab initio máis avanzada, a investigación de materiais utilizando instalacións nacionais de sincrotrón a gran escala e a caracterización in situ das células solares en funcionamento. Combine. ." "Este artigo describe por primeira vez como o fenómeno de filtración libera de súpeto a corrente de carga no material de perovskita".

Ambos os resultados mostran que despois de 10 minutos de exposición ao simulador solar a unha intensidade solar, a perovskita bidimensional encolle un 0.4% ao longo da súa lonxitude e preto dun 1% de arriba a abaixo. Probaron que o efecto podía verse en 1 minuto a menos de cinco intensidades solares.

"Non parece moito, pero un encollemento do 1% do espazo entre as redes provocará un aumento substancial do fluxo de electróns", dixo Li Wenbin, estudante de posgrao en Rice e coautor principal. "A nosa investigación mostra que a condución electrónica do material triplicouse".

Ao mesmo tempo, a natureza da rede cristalina fai que o material sexa resistente á degradación, mesmo cando se quenta a 80 graos Celsius (176 graos Fahrenheit). Os investigadores tamén descubriron que a celosía relaxa rapidamente á súa configuración estándar unha vez que se apagan as luces.

"Un dos principais atractivos das perovskitas 2D é que normalmente teñen átomos orgánicos que actúan como barreiras contra a humidade, son térmicamente estables e solucionan os problemas de migración de ións", dixo o estudante de posgrao e coautor principal Siraj Sidhik. "As perovskitas 3D son propensas á inestabilidade térmica e lumínica, polo que os investigadores comezaron a poñer capas 2D encima de perovskitas masivas para ver se podían aproveitar ao máximo ambas.

"Pensamos, imos cambiar ao 2D e facelo eficiente", dixo.

Para observar a contracción do material, o equipo utilizou dúas instalacións de usuarios da Oficina de Ciencia do Departamento de Enerxía dos EE. o Laboratorio Nacional de Argonne do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos. Laboratorio de Fontes de Fotóns (APS).

O físico de Argonne Joe Strzalka, coautor do artigo, utiliza os raios X ultrabrillantes de APS para capturar pequenos cambios estruturais nos materiais en tempo real. O instrumento sensible no 8-ID-E da liña de luz APS permite estudos "operativos", o que significa estudos realizados cando o equipo sofre cambios controlados de temperatura ou ambiente en condicións normais de funcionamento. Neste caso, Strzalka e os seus colegas expuxeron o material fotosensible da célula solar á luz solar simulada mentres mantiñan a temperatura constante e observaron pequenas contraccións a nivel atómico.

Como experimento de control, Strzalka e os seus coautores mantiveron a habitación escura, aumentaron a temperatura e observaron o efecto contrario: a expansión do material. Isto suxire que a luz en si, non a calor que xera, provocou a transformación.

"Para tales cambios, é importante realizar investigacións operativas", dixo Strzalka. "Do mesmo xeito que o teu mecánico quere facer funcionar o teu motor para ver o que está a suceder nel, esencialmente queremos facer un vídeo desta conversión, non unha soa instantánea. As instalacións como APS permítennos facelo".

Strzalka sinalou que APS está a sufrir unha actualización significativa para aumentar o brillo dos seus raios X ata 500 veces. Dixo que cando estea completado, os raios máis brillantes e os detectores máis rápidos e nítidos aumentarán a capacidade dos científicos para detectar estes cambios con maior sensibilidade.

Isto pode axudar ao equipo de Rice a axustar o material para un mellor rendemento. "Estamos a deseñar catións e interfaces para acadar unha eficiencia superior ao 20%", dixo Sidhik. "Isto cambiará todo no campo da perovskita porque entón a xente comezará a usar perovskita 2D para series de perovskita/silicio 2D e perovskita 2D/3D, o que pode achegar a eficiencia ao 30%. Isto fará que a súa comercialización sexa atractiva".