Itin ploni saulės elementai?

Itin ploni saulės elementai?

Patobulinti itin ploni saulės elementai: 2D perovskito junginiai turi tinkamas medžiagas, kad būtų galima įveikti didelių gabaritų gaminius.

Rice universiteto inžinieriai pasiekė naujų etalonų kurdami atominio masto plonus saulės elementus, pagamintus iš puslaidininkinių perovskitų, padidindami jų efektyvumą ir išlaikydami gebėjimą atlaikyti aplinką.

Ryžių universiteto George'o R Browno inžinerijos mokyklos Aditya Mohite laboratorija nustatė, kad saulės šviesa sumažina erdvę tarp atominių sluoksnių dvimačiame perovskite, o tai pakankamai padidina medžiagos fotovoltinį efektyvumą net 18%, o tai yra dažna pažanga. . Lauke pasiektas fantastiškas šuolis ir matuojamas procentais.

"Per 10 metų perovskito efektyvumas išaugo nuo maždaug 3% iki daugiau nei 25%, - sakė Mohite. "Kiti puslaidininkiai užtruks apie 60 metų. Štai kodėl mes taip džiaugiamės."

Perovskitas yra junginys su kubinėmis gardelėmis ir yra efektyvus šviesos kolektorius. Jų potencialas buvo žinomas daugelį metų, tačiau jie turi problemą: jie gali paversti saulės šviesą energija, tačiau saulės šviesa ir drėgmė gali juos pabloginti.

„Tikimasi, kad saulės elementų technologija truks 20–25 metus“, – sakė chemijos ir biomolekulinės inžinerijos bei medžiagų mokslo ir nanoinžinerijos docentas Mohite. "Dirbame daug metų ir toliau naudojame didelius perovskitus, kurie yra labai veiksmingi, bet nelabai stabilūs. Priešingai, dvimačiai perovskitai pasižymi puikiu stabilumu, tačiau nėra pakankamai veiksmingi, kad juos būtų galima dėti ant stogo.

„Didžiausia problema yra padaryti juos veiksmingus nepakenkiant stabilumui.
Rice inžinieriai ir jų bendradarbiai iš Purdue universiteto ir Northwestern universiteto Los Alamose, Argonne ir Brookhaven iš JAV Energetikos departamento nacionalinės laboratorijos ir Elektronikos ir skaitmeninių technologijų instituto (INSA) Renne (Prancūzija) ir jų bendradarbiai nustatė, kad kai kurie dvimačiai perovskitai, saulės šviesa efektyviai sumažina erdvę tarp atomų, padidindama jų gebėjimą pernešti elektros srovę.

„Mes nustatėme, kad kai uždegate medžiagą, suspaudžiate ją kaip kempinę ir surenkate sluoksnius, kad padidintumėte krūvio perdavimą ta kryptimi“, - sakė Mochtas. Tyrėjai nustatė, kad organinių katijonų sluoksnio padėjimas tarp jodido viršuje ir švino apačioje gali sustiprinti sluoksnių sąveiką.

„Šis darbas yra labai svarbus tiriant sužadintas būsenas ir kvazidaleles, kai vienas teigiamo krūvio sluoksnis yra kitame, o neigiamas krūvis yra kitoje, ir jie gali kalbėtis tarpusavyje“, - sakė Mochtas. „Tai vadinama eksitonais ir gali turėti unikalių savybių.

„Šis efektas leidžia mums suprasti ir koreguoti šias pagrindines šviesos ir medžiagos sąveikas nesukuriant sudėtingų heterostruktūrų, tokių kaip sukrauti 2D pereinamojo metalo dikalkogenidai“, – sakė jis.

Kolegos Prancūzijoje patvirtino eksperimentą su kompiuteriniu modeliu. Jacky Even, INSA fizikos profesorius, sakė: "Šis tyrimas suteikia unikalią galimybę sujungti pažangiausią ab initio modeliavimo technologiją, medžiagų tyrimus naudojant didelio masto nacionalinius sinchrotroninius įrenginius ir in situ veikiančių saulės elementų apibūdinimą. “. "Šiame dokumente pirmą kartą aprašoma, kaip prasisunkimo reiškinys staiga atpalaiduoja įkrovimo srovę perovskito medžiagoje."

Abu rezultatai rodo, kad po 10 minučių saulės treniruoklio ekspozicijos esant saulės intensyvumui, dvimatis perovskitas susitraukia 0.4% išilgai ir maždaug 1% iš viršaus į apačią. Jie įrodė, kad poveikis gali būti matomas per 1 minutę esant penkiems saulės intensyvumo lygiams.

„Tai neatrodo daug, bet 1 % sumažėjęs gardelės atstumas labai padidins elektronų srautą“, – sakė Li Wenbin, Rice magistrantas ir vienas iš pagrindinių autorių. „Mūsų tyrimai rodo, kad medžiagos elektroninis laidumas padidėjo tris kartus.

Tuo pačiu metu dėl kristalinės gardelės pobūdžio medžiaga yra atspari skilimui, net kai kaitinama iki 80 laipsnių Celsijaus (176 laipsnių pagal Farenheitą). Tyrėjai taip pat nustatė, kad išjungus apšvietimą, grotelės greitai atsipalaiduoja į standartinę konfigūraciją.

„Viena iš pagrindinių 2D perovskitų traukos yra tai, kad juose paprastai yra organinių atomų, kurie veikia kaip drėgmės barjerai, yra termiškai stabilūs ir išsprendžia jonų migracijos problemas“, – sakė magistrantas ir vienas iš vadovų Siraj Sidhik. "3D perovskitai yra linkę į šiluminį ir šviesos nestabilumą, todėl mokslininkai pradėjo dėti 2D sluoksnius ant masyvių perovskitų, kad pamatytų, ar jie gali maksimaliai išnaudoti abu.

„Manome, tiesiog pereikime prie 2D ir padarykime jį efektyvesniu“, – sakė jis.

Siekdama stebėti medžiagos susitraukimą, komanda naudojo dvi JAV Energetikos departamento (DOE) Mokslo biuro naudotojų patalpas: Nacionalinį sinchrotroninį šviesos šaltinį II iš Brukhaveno nacionalinės laboratorijos prie JAV Energetikos departamento ir Pažangiąją valstijos laboratoriją. JAV Energetikos departamento Argonne nacionalinė laboratorija. Fotonų šaltinio (APS) laboratorija.

Argonne fizikas Joe Strzalka, straipsnio bendraautorius, naudoja APS ypač ryškius rentgeno spindulius, kad realiuoju laiku užfiksuotų nedidelius struktūrinius medžiagų pokyčius. Jautri priemonė, esanti APS spindulio linijos 8-ID-E, leidžia atlikti „eksploatacinius“ tyrimus, ty tyrimus, atliekamus, kai įprastomis eksploatavimo sąlygomis įranga patiria kontroliuojamus temperatūros ar aplinkos pokyčius. Šiuo atveju Strzalka ir jo kolegos apšvietė saulės elemento šviesai jautrią medžiagą imituojamai saulės šviesai, išlaikydami pastovią temperatūrą ir stebėdami nedidelius susitraukimus atominiame lygyje.

Kaip kontrolinį eksperimentą, Strzalka ir jo bendraautoriai laikė patalpą tamsią, padidino temperatūrą ir pastebėjo priešingą efektą – medžiagos plėtimąsi. Tai rodo, kad transformaciją sukėlė pati šviesa, o ne jos generuojama šiluma.

„Tokiems pokyčiams svarbu atlikti operatyvinius tyrimus“, – sakė M. Strzalka. „Kaip jūsų mechanikas nori paleisti jūsų variklį, kad pamatytų, kas jame vyksta, mes iš esmės norime nufotografuoti šios konversijos vaizdo įrašą, o ne vieną momentinį vaizdą. Tai padaryti leidžia tokios priemonės kaip APS.

Strzalka atkreipė dėmesį, kad APS vyksta reikšmingas atnaujinimas, siekiant padidinti rentgeno spindulių ryškumą iki 500 kartų. Jis teigė, kad kai jis bus baigtas, ryškesni spinduliai ir greitesni, ryškesni detektoriai padidins mokslininkų gebėjimą aptikti šiuos pokyčius didesniu jautrumu.

Tai gali padėti Rice komandai pakoreguoti medžiagą, kad jos veiktų geriau. "Mes kuriame katijonus ir sąsajas, kad pasiektume daugiau nei 20% efektyvumą", - sakė Sidhikas. "Tai pakeis viską perovskito srityje, nes tada žmonės pradės naudoti 2D perovskitą 2D perovskito / silicio ir 2D / 3D perovskito serijoms, todėl efektyvumas gali būti beveik 30%. Dėl to jo komercializacija bus patraukli."