Ultra ince güneş pilleri?

Ultra ince güneş pilleri?

Ultra ince güneş pilleri geliştirildi: 2D perovskit bileşikleri, hacimli ürünlere meydan okumak için uygun malzemelere sahiptir.

Rice Üniversitesi'ndeki mühendisler, yarı iletken perovskitlerden yapılmış atomik ölçekli ince güneş pilleri tasarlamada yeni ölçütler elde ettiler ve çevreye dayanma yeteneklerini korurken verimliliklerini artırdılar.

Rice Üniversitesi George R Brown Mühendislik Okulu'ndaki Aditya Mohite laboratuvarı, güneş ışığının iki boyutlu bir perovskitte atomik katmanlar arasındaki boşluğu küçülttüğünü, bu da malzemenin fotovoltaik verimliliğini %18'e kadar artırmaya yetecek kadar olduğunu buldu. . Sahada harika bir sıçrama sağlandı ve yüzdelerle ölçüldü.

Mohite, "10 yılda perovskitin verimliliği yaklaşık %3'ten %25'in üzerine çıktı." Dedi. "Diğer yarı iletkenlerin elde edilmesi yaklaşık 60 yıl alacak. Bu yüzden çok heyecanlıyız."

Perovskite, kübik kafesli bir bileşiktir ve verimli bir ışık toplayıcıdır. Potansiyelleri yıllardır biliniyor, ancak bir sorunları var: Güneş ışığını enerjiye dönüştürebilirler, ancak güneş ışığı ve nem onları bozabilir.

Kimyasal ve biyomoleküler mühendislik ve malzeme bilimi ve nanomühendislik doçenti Mohite, "Güneş pili teknolojisinin 20 ila 25 yıl sürmesi bekleniyor" dedi. "Yıllardır çalışıyoruz ve çok etkili ancak çok kararlı olmayan büyük perovskitleri kullanmaya devam ediyoruz. Buna karşılık, iki boyutlu perovskitler mükemmel stabiliteye sahip ancak çatıya yerleştirilecek kadar verimli değiller.

"En büyük sorun, istikrardan ödün vermeden onları verimli hale getirmektir."
Purdue Üniversitesi ve Northwestern Üniversitesi, ABD Enerji Bakanlığı Ulusal Laboratuvarı'ndan Los Alamos, Argonne ve Brookhaven ile Rennes, Fransa'daki Elektronik ve Dijital Teknoloji Enstitüsü'nden (INSA) Rice mühendisleri ve işbirlikçileri ve onların işbirlikçileri, In Bazı iki boyutlu perovskitler, güneş ışığı atomlar arasındaki boşluğu etkili bir şekilde küçültür ve elektrik akımı taşıma yeteneklerini arttırır.

Mocht, "Malzemeyi ateşlediğinizde, bir sünger gibi sıktığınızı ve bu yönde yük transferini artırmak için katmanları bir araya getirdiğinizi gördük." Dedi. Araştırmacılar, üstteki iyodür ve alttaki kurşun arasına bir organik katyon katmanı yerleştirmenin, katmanlar arasındaki etkileşimi artırabileceğini buldular.

Mocht, "Bu çalışma, bir pozitif yük katmanının diğerinde ve negatif yükün diğerinde olduğu ve birbirleriyle konuşabildikleri heyecanlı durumlar ve quasipartiküllerin incelenmesi için büyük önem taşıyor." Dedi. "Bunlara eksiton denir ve benzersiz özelliklere sahip olabilirler.

"Bu etki, yığılmış 2D geçiş metali dikalkojenitler gibi karmaşık heteroyapılar oluşturmadan bu temel hafif madde etkileşimlerini anlamamıza ve ayarlamamıza izin veriyor" dedi.

Fransa'daki meslektaşlar deneyi bir bilgisayar modeliyle doğruladılar. INSA Fizik Profesörü Jacky Even şunları söyledi: "Bu araştırma, en gelişmiş ab initio simülasyon teknolojisini, büyük ölçekli ulusal senkrotron tesislerini kullanan malzeme araştırmasını ve operasyondaki güneş pillerinin yerinde karakterizasyonunu birleştirmek için eşsiz bir fırsat sunuyor. " "Bu makale ilk kez sızıntı olayının perovskite malzemedeki şarj akımını aniden nasıl serbest bıraktığını anlatıyor."

Her iki sonuç da, güneş simülatörüne güneş yoğunluğunda 10 dakika maruz kaldıktan sonra, iki boyutlu perovskitin uzunluğu boyunca %0.4 ve yukarıdan aşağıya yaklaşık %1 küçüldüğünü göstermektedir. Etkisinin beş güneş yoğunluğu altında 1 dakika içinde görülebileceğini kanıtladılar.

Rice'da yüksek lisans öğrencisi ve yardımcı yazar Li Wenbin, "Kulağa pek benzemiyor, ancak kafes aralığının %1'lik bir daralması elektron akışında önemli bir artışa neden olacak" dedi. "Araştırmamız, malzemenin elektronik iletiminin üç kat arttığını gösteriyor."

Aynı zamanda, kristal kafesin doğası, malzemeyi 80 santigrat dereceye (176 derece Fahrenheit) ısıtıldığında bile bozulmaya karşı dirençli hale getirir. Araştırmacılar ayrıca, ışıklar kapatıldığında kafesin standart konfigürasyonuna hızla geri döndüğünü buldu.

Lisansüstü öğrencisi ve yardımcı yazar Siraj Sidhik, "2D perovskitlerin ana cazibe merkezlerinden biri, genellikle nem bariyeri görevi gören, termal olarak kararlı olan ve iyon göçü sorunlarını çözen organik atomlara sahip olmalarıdır" dedi. "3D perovskitler, termal ve ışık dengesizliğine eğilimlidir, bu nedenle araştırmacılar, her ikisinden de en iyi şekilde yararlanabileceklerini görmek için büyük perovskitlerin üzerine 2D katmanlar koymaya başladılar.

"Bence 2D'ye geçelim ve verimli hale getirelim" dedi.

Malzemenin büzülmesini gözlemlemek için ekip, ABD Enerji Bakanlığı (DOE) Bilim Ofisi'nin iki kullanıcı tesisini kullandı: ABD Enerji Bakanlığı'nın Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nın Ulusal Synchrotron Işık Kaynağı II ve Gelişmiş Devlet Laboratuvarı. ABD Enerji Bakanlığı'nın Argonne Ulusal Laboratuvarı. Foton Kaynağı (APS) Laboratuvarı.

Makalenin yazarlarından Argonne fizikçisi Joe Strzalka, malzemelerdeki küçük yapısal değişiklikleri gerçek zamanlı olarak yakalamak için APS'nin ultra parlak X-ışınlarını kullanıyor. APS ışın hattının 8-ID-E'sindeki hassas cihaz, "operasyonel" çalışmalara izin verir; bu, ekipmanın normal çalışma koşulları altında sıcaklıkta veya ortamda kontrollü değişikliklere maruz kaldığında yürütülen çalışmalar anlamına gelir. Bu durumda, Strzalka ve meslektaşları, güneş pilindeki ışığa duyarlı malzemeyi, sıcaklığı sabit tutarken simüle güneş ışığına maruz bıraktılar ve atom seviyesinde küçük kasılmalar gözlemlediler.

Bir kontrol deneyi olarak, Strzalka ve ortak yazarları odayı karanlık tuttu, sıcaklığı artırdı ve zıt etkiyi, yani malzeme genişlemesini gözlemledi. Bu, dönüşüme ürettiği ısının değil, ışığın kendisinin neden olduğunu gösteriyor.

Strzalka, "Bu tür değişiklikler için operasyonel araştırma yapmak önemlidir." Dedi. "Tıpkı tamirciniz motorunuzu içinde neler olup bittiğini görmek için çalıştırmak istiyorsa, biz de esasen bu dönüşümün bir videosunu çekmek istiyoruz, tek bir anlık görüntü değil. APS gibi tesisler bunu yapmamıza izin veriyor."

Strzalka, APS'nin X-ışınlarının parlaklığını 500 kata kadar artırmak için önemli bir yükseltmeden geçtiğine dikkat çekti. Tamamlandığında, daha parlak ışınlar ve daha hızlı, daha keskin dedektörlerin bilim insanlarının bu değişiklikleri daha büyük bir hassasiyetle tespit etme yeteneğini artıracağını söyledi.

Bu, Rice ekibinin malzemeyi daha iyi performans için ayarlamasına yardımcı olabilir. Sidhik, "%20'den fazla verimlilik elde etmek için katyonlar ve arayüzler tasarlıyoruz." Dedi. "Bu, perovskite alanındaki her şeyi değiştirecek çünkü o zaman insanlar 2D perovskite/silikon ve 2D/2D perovskite serileri için 3D perovskite kullanmaya başlayacak ve bu da verimliliği %30'a yaklaştırabilecek. Bu, onun ticarileştirilmesini cazip hale getirecek."