Celulele solare ultra-subțiri care folosesc perovskiți 2D primesc un impuls

Un strat bidimensional al compusului perovskit este baza pentru o celulă solară eficientă, care poate rezista la coroziunea mediului, spre deosebire de perovskiții anterioare. Inginerii de la Universitatea Rice au crescut eficiența fotovoltaică a perovskitului bidimensional cu până la 18%. Credit: Jeff Fitlow/Universitatea Rice

Laboratorul de orez constată că complexul de perovskit 2D conține ingredientele potrivite pentru a provoca produse mai mari.

Inginerii de la Universitatea Rice au stabilit un nou standard în proiectarea celulelor solare perovskite semiconductoare subțiri atomice, sporindu-le eficiența, fiind în același timp prietenoase cu mediul.

Laboratorul Aditya Mohite de la Școala de Inginerie George Brown din Rice a descoperit că lumina soarelui în sine contractă spațiul dintre straturile atomice în perovskit bidimensional suficient pentru a îmbunătăți eficiența materialelor fotovoltaice cu până la 18%, un salt uluitor într-o zonă în care progresul. este adesea măsurată în fracțiuni de procente.

„În 10 ani, eficiența perovskitului a crescut de la aproximativ 3% la mai mult de 25%”, a spus Moheti. A fost nevoie de aproximativ 60 de ani altor semiconductori pentru a ajunge acolo. De aceea suntem atât de entuziasmați. „

Căutarea apare în Nanotehnologia naturii.

Perovskiții sunt compuși cu rețele cristaline sub formă de cuburi și sunt recoltatoare optice extrem de eficiente. Potențialul lor este cunoscut de ani de zile, dar prezintă o dilemă: sunt buni la transformarea razelor solare în energie, dar lumina soarelui și umiditatea îi degradează.

„Tehnologia celulelor solare este de așteptat să fie operațională timp de 20 până la 25 de ani”, a spus Mohit, profesor asociat de inginerie chimică și biomoleculară, știința materialelor și nanoinginerie. „Am lucrat de mulți ani și continuăm să lucrăm cu cantități mari de perovskiți care sunt extrem de eficiente, dar nu stabile. În schimb, perovskiții 2D au o stabilitate extraordinară, dar nu sunt suficient de eficienți pentru a fi plasați pe o suprafață.

„Marea problemă a fost să o facem eficientă fără a compromite stabilitatea”, a spus el.

Inginerii orezului și colaboratorii de la universitățile Purdue și Northwestern, Laboratoarele Naționale Los Alamos, Argonne și Brookhaven ale Departamentului de Energie al SUA și Institutul de Electronică și Tehnologii Digitale (INSA) din Rennes, Franța, au descoperit că în unele perovskiți bidimensionali, lumina soarelui este efectiv redusă. Distanța dintre atomi, îmbunătățind capacitatea acestora de a transporta curent.

Siraj Sedik, un student absolvent la Universitatea Rice, se pregătește să rotească un substrat cu un compus care îngheață în perovskit bidimensional. Inginerii din orez au descoperit că ecranele perovskite sunt promițătoare pentru celule solare eficiente și robuste. Credit: Jeff Fitlow/Universitatea Rice

„Am descoperit că atunci când aprindeți materialul, îl comprimați ca pe un burete și aduceți straturile împreună pentru a îmbunătăți transferul de sarcină în acea direcție”, a spus Mohit. Cercetătorii au descoperit stratificarea cationilor organici între iodură de deasupra și determinarea interacțiunilor îmbunătățite între straturile din partea de jos.

„Această lucrare are implicații importante pentru studiul stărilor excitate și al cvasiparticulelor în care o sarcină pozitivă pe un strat și o sarcină negativă pe celălalt pot vorbi între ele”, a spus Mohit. „Aceștia se numesc excitoni, care pot avea proprietăți unice.

„Acest efect ne-a oferit oportunitatea de a înțelege și adapta aceste interacțiuni de bază lumină-materie fără a crea structuri complexe eterogene, cum ar fi dicalcogenurile bidimensionale ale metalelor de tranziție”, a spus el.

Experimentele au fost confirmate de modele computerizate de colegii din Franța. „Acest studiu a oferit o oportunitate unică de a combina tehnici de simulare de ultimă generație, investigații fizice folosind instalații naționale de sincrotron la scară largă și caracterizări in situ ale celulelor solare operaționale”, a spus Jackie Even, profesor de fizică la INSA. „Hârtia descrie pentru prima dată modul în care fenomenul de filtrare declanșează brusc fluxul de curent de încărcare într-un material perovskit”.

Wenbin Li, un student absolvent la Universitatea Rice, pregătește o celulă solară de perovskit 2-D pentru testare într-un simulator solar. Inginerii din orez au sporit eficiența celulelor perovskite 2D, menținându-le în același timp duritatea. Credit: Jeff Fitlow/Universitatea Rice

Ambele rezultate au arătat că, după 10 minute sub un simulator solar cu o densitate de un soare, perovskitul bidimensional sa micșorat cu 0,4% în lungime și cu aproximativ 1% de sus în jos. Ei au arătat că efectul poate fi văzut într-un minut sub intensitatea celui de-al cincilea soare.

„Nu pare mult, dar această contracție de 1% a distanței latice duce la o îmbunătățire semnificativă a fluxului de electroni”, a spus Wenbin Lee, student absolvent la Rice și co-autor principal. „Cercetarea noastră arată o creștere de trei ori a conductibilității electronice a materialului”.

În același timp, natura plasei a făcut ca materialul să fie mai puțin susceptibil la deteriorare, chiar și atunci când este încălzit la 80 de grade. Celsius (176 de grade F). Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că rețeaua s-a relaxat rapid la forma sa normală odată ce lumina a fost stinsă.

„Una dintre principalele atracții ale perovskitului 2D este că acestea conțin de obicei atomi organici care acționează ca bariere de umezeală, sunt stabile termic și rezolvă problemele migrației ionilor”, a spus Siraj Siddik, student absolvent și co-autor principal. „Perovskiții 3D sunt supuși instabilității termice și luminoase, așa că cercetătorii au început să stratifice straturi 2D deasupra perovskitului pentru a vedea dacă ar putea obține cele mai bune dintre cele două.

„Ne-am gândit: „Să mergem doar cu 2D și să-l facem funcțional”, a spus el.

Studentul absolvent al Universității Rice Wenbin Lee, inginerul chimic și biomolecular Aditya Mohit și studentul absolvent Siraj Sidhik au condus proiectul de a produce perovskit armat bidimensional pentru celule solare eficiente. Credit: Jeff Fitlow/Universitatea Rice

Pentru a monitoriza contracția materialului în acțiune, echipa a folosit două facilități pentru utilizatorii Biroului de Știință al Departamentului de Energie (DOE) al Biroului de Știință (DOE): Sursa Națională de Lumină Sincrotron II de la Laboratorul Național Brookhaven al Departamentului de Energie și Sursa de Fotoni Avansat. (APS) la Departamentul de Energie Argonne National. laborator.

Fizicianul Argonne Joe Strzalka, un coautor al lucrării, a folosit razele X ultra-luminoase ale APS pentru a surprinde mici modificări structurale ale materialului în timp real. Instrumentele sensibile din Beamline 8-ID-E permit APS să efectueze studii „operando”, adică acelea care sunt efectuate în timp ce instrumentul suferă modificări controlate de temperatură sau mediu în condiții normale de funcționare. În acest caz, Strzalka și colegii au expus materialul fotoactiv din celula solară pentru a simula lumina soarelui menținând constantă temperatura și au observat mici contracții la nivel atomic.

Ca experiment de control, Strzalka și colegii săi au păstrat încăperea în întuneric și au crescut temperatura, observând efectul opus — expansiunea materialului. Aceasta a arătat că lumina în sine, nu căldura pe care a generat-o, a cauzat transformarea.

„Pentru astfel de schimbări, este important să facem studii de operă”, a spus Strzalka. „În același mod în care mecanicul tău dorește să pornească motorul pentru a vedea ce se întâmplă înăuntru, practic dorim să facem un videoclip cu acea schimbare, mai degrabă decât o singură fotografie. Utilități precum APS ne permit să facem asta.”

Strzalka a remarcat că APS se află în mijlocul unei actualizări majore care va crește luminozitatea razelor X de până la 500 de ori. După terminarea, a spus el, fasciculele mai strălucitoare și detectoarele mai rapide și mai clare vor îmbunătăți capacitatea oamenilor de știință de a detecta aceste schimbări cu mai multă sensibilitate.

Acest lucru poate ajuta echipa Rice să modifice materialele pentru o performanță mai bună. „Suntem pe cale să obținem o eficiență de peste 20% prin proiectarea cationilor și a interfețelor”, a spus prietenul tău. „Se va schimba totul în domeniul perovskit, pentru că atunci oamenii vor începe să folosească perovskit 2D pentru sinonime perovskit/siliciu 2D și perovskit 2D/3D, ceea ce poate permite o eficiență de aproape 30%. Acest lucru îl va face atractiv pentru marketing.”

Referință: „Reducerea stratului intercalat activat de lumină în perovskit bidimensional pentru celule solare de înaltă eficiență” de Wenbin Li, Siraj Seddhik, Boubacar Traore, Reza Asadpour, Jin Ho, Hao Zhang, Austin Ver, Joseph Eismann, Yaffee Wang și Justin M. . Hoffman, Ioannis Spanopoulos, Jared J. Crochet, Esther Tsai, Joseph Strzalka, Claudine Cattan, Muhammed A. Alam, Mercury J. Kanatzidis, Jackie Even, Jean-Christophe Blancon și Aditya D. Mohti, 22 noiembrie 2021, disponibil aici. Nanotehnologia naturii.
DOI: 10.1038 / s41565-021-01010-2

Co-autorii lucrării sunt studenții absolvenți ai Rice Jin Ho, Hao Zhang și Austin Fehr, studentul Joseph Eastman și studentul de schimb Yaffe Wang și co-autorul Jean-Christophe Blancun, un om de știință în laboratorul lui Mohit; Boubacar Traore, Claudine Cattan de la INSA; Reza Asadpour și Muhammad Alam din Bordeaux; Justin Hoffman, Ioannis Spanopoulos și Mercury Kanatzidis din nord-vest; Jared este croșetat de Los Alamos și Esther Tsai de Brookhaven.

Biroul de Cercetare al Armatei, Institutul Academic al Franței, Fundația Națională de Știință (20-587, 1724728), Oficiul de Cercetare Navală (N00014-20-1-2725) și Biroul de Știință al Departamentului de Energie (AC02-06CH11357) au sprijinit cercetarea.