Cèl·lules solars ultra primes?

Cèl·lules solars ultra primes?

Cèl·lules solars ultra fines millorades: els compostos de perovskita 2D tenen els materials adequats per desafiar productes voluminosos.

Els enginyers de la Universitat de Rice han aconseguit nous punts de referència en el disseny de cèl·lules solars primes a escala atòmica fetes de perovskites semiconductors, augmentant la seva eficiència alhora que mantenen la seva capacitat de suportar el medi ambient.

El laboratori Aditya Mohite de la George R Brown School of Engineering de la Universitat de Rice va trobar que la llum solar redueix l'espai entre les capes atòmiques en una perovskita bidimensional, prou per augmentar l'eficiència fotovoltaica del material fins a un 18%, que és un progrés freqüent. . S'ha fet un salt fantàstic al camp i mesurat en percentatges.

"En 10 anys, l'eficiència de la perovskita s'ha disparat d'un 3% a més del 25%", va dir Mohite. "Els altres semiconductors trigaran uns 60 anys a aconseguir-se. Per això estem tan emocionats".

La perovskita és un compost amb una gelosia cúbica i és un col·lector de llum eficient. El seu potencial es coneix des de fa molts anys, però tenen un problema: poden convertir la llum solar en energia, però la llum solar i la humitat els poden degradar.

"S'espera que la tecnologia de cèl·lules solars duri entre 20 i 25 anys", va dir Mohite, professor associat d'enginyeria química i biomolecular i ciència dels materials i nanoenginyeria. "Fa molts anys que treballem i continuem utilitzant perovskites grans que són molt efectives però poc estables. En canvi, les perovskites bidimensionals tenen una estabilitat excel·lent però no són prou eficients per col·locar-les al terrat.

"El problema més gran és fer-los eficients sense comprometre l'estabilitat".
Els enginyers de Rice i els seus col·laboradors de la Universitat de Purdue i la Universitat Northwestern, Los Alamos, Argonne i Brookhaven del Laboratori Nacional del Departament d'Energia dels EUA i l'Institut d'Electrònica i Tecnologia Digital (INSA) a Rennes, França, i els seus col·laboradors van trobar que algunes perovskites bidimensionals, la llum solar redueix eficaçment l'espai entre els àtoms, augmentant la seva capacitat de transportar corrent elèctric.

"Hem trobat que quan enceneu el material, l'apreu com una esponja i aplegueu les capes per millorar la transferència de càrrega en aquesta direcció", va dir Mocht. Els investigadors van trobar que col·locar una capa de cations orgànics entre el iodur a la part superior i el plom a la part inferior pot millorar la interacció entre les capes.

"Aquest treball és de gran importància per a l'estudi d'estats excitats i quasipartícules, on una capa de càrrega positiva està a l'altra i la càrrega negativa està a l'altra, i poden parlar entre ells", va dir Mocht. "Aquests s'anomenen excitons i poden tenir propietats úniques.

"Aquest efecte ens permet entendre i ajustar aquestes interaccions bàsiques de la matèria llum-matèria sense crear heteroestructures complexes com ara dicalcogenurs de metalls de transició 2D apilats", va dir.

Col·legues de França van confirmar l'experiment amb un model informàtic. Jacky Even, professor de Física de l'INSA, va dir: "Aquesta investigació ofereix una oportunitat única per combinar la tecnologia de simulació ab initio més avançada, la investigació de materials utilitzant instal·lacions nacionals de sincrotró a gran escala i la caracterització in situ de les cèl·lules solars en funcionament. Combina. ." "Aquest article descriu per primera vegada com el fenomen de filtració allibera de sobte el corrent de càrrega al material de perovskita".

Tots dos resultats mostren que després de 10 minuts d'exposició al simulador solar a una intensitat solar, la perovskita bidimensional es redueix un 0.4% al llarg de la seva longitud i aproximadament un 1% de dalt a baix. Van demostrar que l'efecte es podia veure en un minut amb cinc intensitats solars.

"No sembla gaire, però una reducció de l'1% de l'espai de la gelosia provocarà un augment substancial del flux d'electrons", va dir Li Wenbin, estudiant de postgrau en Rice i coautor principal. "La nostra investigació mostra que la conducció electrònica del material s'ha triplicat".

Al mateix temps, la naturalesa de la xarxa cristal·lina fa que el material sigui resistent a la degradació, fins i tot quan s'escalfa a 80 graus centígrads (176 graus Fahrenheit). Els investigadors també van trobar que la gelosia es relaxa ràpidament a la seva configuració estàndard un cop s'apaguen els llums.

"Un dels principals atractius de les perovskites 2D és que solen tenir àtoms orgànics que actuen com a barreres d'humitat, són tèrmicament estables i resolen problemes de migració d'ions", va dir l'estudiant de postgrau i coautor principal Siraj Sidhik. "Les perovskites 3D són propenses a la inestabilitat tèrmica i lumínica, de manera que els investigadors van començar a posar capes 2D a sobre de perovskites massives per veure si podien treure el màxim profit de totes dues.

"Pensem, canviem al 2D i fem-lo eficient", va dir.

Per observar la contracció del material, l'equip va utilitzar dues instal·lacions d'usuari de l'Oficina de Ciència del Departament d'Energia (DOE) dels EUA: la Font de Llum de Sincrotró Nacional II del Laboratori Nacional de Brookhaven del Departament d'Energia dels EUA i el Laboratori Estatal Avançat de el Laboratori Nacional d'Argonne del Departament d'Energia dels EUA. Laboratori de Fonts de Fotons (APS).

El físic d'Argonne Joe Strzalka, coautor del document, utilitza els raigs X ultrabrillants d'APS per capturar petits canvis estructurals en els materials en temps real. L'instrument sensible a la 8-ID-E de la línia de llum APS permet estudis "operatius", és a dir, estudis realitzats quan l'equip experimenta canvis controlats de temperatura o ambient en condicions de funcionament normals. En aquest cas, Strzalka i els seus col·legues van exposar el material fotosensible de la cèl·lula solar a la llum solar simulada mentre mantenien la temperatura constant i van observar petites contraccions a nivell atòmic.

Com a experiment de control, Strzalka i els seus coautors van mantenir l'habitació fosca, van augmentar la temperatura i van observar l'efecte contrari: l'expansió del material. Això suggereix que la llum mateixa, no la calor que genera, va provocar la transformació.

"Per a aquests canvis, és important dur a terme investigacions operatives", va dir Strzalka. "De la mateixa manera que el vostre mecànic vol fer funcionar el vostre motor per veure què hi passa, bàsicament volem fer un vídeo d'aquesta conversió, no una instantània. Instal·lacions com APS ens permeten fer-ho".

Strzalka va assenyalar que APS està experimentant una actualització important per augmentar la brillantor dels seus raigs X fins a 500 vegades. Va dir que quan es completi, els feixos més brillants i els detectors més ràpids i nítids augmentaran la capacitat dels científics per detectar aquests canvis amb més sensibilitat.

Això pot ajudar l'equip de Rice a ajustar el material per obtenir un millor rendiment. "Estem dissenyant cations i interfícies per aconseguir eficiències de més del 20%", va dir Sidhik. "Això canviarà tot en el camp de la perovskita perquè aleshores la gent començarà a utilitzar perovskita 2D per a sèries de perovskita/silici 2D i perovskita 2D/3D, que pot portar l'eficiència propera al 30%. Això farà que la seva comercialització sigui atractiva".