Ryžové laboratórium zistilo, že 2D perovskitový komplex obsahuje tie správne zložky, ktoré sú výzvou pre väčšie produkty.

Inžinieri z Rice University stanovili nový štandard pri navrhovaní tenkých atómových solárnych článkov vyrobených z perovskitových polovodičov, čím sa zvyšuje ich účinnosť, pričom sú stále šetrné k životnému prostrediu.

Laboratórium Aditya Mohite z George Brown School of Engineering v Rice zistilo, že samotné slnečné svetlo zmršťuje priestor medzi atómovými vrstvami v dvojrozmernom perovskite dostatočne na to, aby zlepšilo účinnosť fotovoltaických materiálov až o 18 %, čo je ohromujúci skok v oblasti, kde pokrok sa často meria v zlomkoch percent.

„Za 10 rokov sa účinnosť perovskitu zvýšila z približne 3% na viac ako 25%,“ povedal Moheti. Iným polovodičom trvalo asi 60 rokov, kým sa tam dostali. Preto sme takí nadšení. „

Vyhľadávanie sa zobrazí v Prírodná nanotechnológia.

Perovskity sú zlúčeniny s kockovitými kryštálovými mriežkami a sú vysoko účinnými optickými zberačmi. Ich potenciál je známy už roky, no predstavujú dilemu: Sú dobrí v premene slnečného žiarenia na energiu, no slnečné svetlo a vlhkosť ich znehodnocujú.

„Očakáva sa, že technológia solárnych článkov bude funkčná 20 až 25 rokov,“ povedal Mohit, docent chemického a biomolekulárneho inžinierstva, materiálovej vedy a nanoinžinierstva. „Pracovali sme mnoho rokov a naďalej pracujeme s veľkým množstvom perovskitov, ktoré sú vysoko účinné, ale nie stabilné. Naproti tomu 2D perovskity majú obrovskú stabilitu, ale nie sú dostatočne účinné na to, aby sa dali umiestniť na povrch.“

„Veľkým problémom bolo zefektívniť to bez ohrozenia stability,“ povedal.

Ryžoví inžinieri a spolupracovníci na univerzitách Purdue a Northwestern University, v národných laboratóriách amerického ministerstva energetiky v Los Alamos, Argonne a Brookhaven a v Inštitúte elektroniky a digitálnych technológií (INSA) v Rennes vo Francúzsku zistili, že v niektorých dvojrozmerných perovskitoch slnečné svetlo sa účinne znižuje. Vzdialenosť medzi atómami zlepšuje ich schopnosť prenášať prúd.

Siraj Sedik, postgraduálny študent na Rice University, sa pripravuje na spriadanie substrátu so zlúčeninou, ktorá zamrzne v dvojrozmernom perovskite. Rice inžinieri zistili, že perovskitové displeje sú sľubné pre efektívne a robustné solárne články. Poďakovanie: Jeff Fitlow/Rice University

„Zistili sme, že keď materiál rozsvietite, stlačíte ho ako špongiu a spojíte vrstvy, aby ste zvýšili prenos náboja v tomto smere, “ povedal Mohit. Vedci zistili vrstvenie organických katiónov medzi jodidom na vrchu a riadenie zlepšených interakcií medzi vrstvami na dne.

„Táto práca má dôležité dôsledky pre štúdium excitovaných stavov a kvázičastíc, v ktorých môže spolu komunikovať pozitívny náboj na jednej vrstve a negatívny náboj na druhej,“ povedal Mohit. „Nazývajú sa excitóny, ktoré môžu mať jedinečné vlastnosti.

„Tento efekt nám dal príležitosť pochopiť a prispôsobiť tieto základné interakcie svetla a hmoty bez vytvárania zložitých heterogénnych štruktúr, ako sú dvojrozmerné dichalkogenidy prechodných kovov, “ povedal.

Experimenty potvrdili počítačovými modelmi kolegovia vo Francúzsku. „Táto štúdia poskytla jedinečnú príležitosť spojiť najmodernejšie simulačné techniky, fyzikálne výskumy využívajúce rozsiahle národné synchrotrónové zariadenia a in-situ charakterizáciu prevádzkových solárnych článkov,“ povedal Jackie Even, profesor fyziky na INSA. „Príspevok po prvýkrát zobrazuje, ako fenomén filtrácie náhle spúšťa tok nabíjacieho prúdu v perovskitovom materiáli.“

Wenbin Li, postgraduálny študent na Rice University, pripravuje 2-D perovskitový solárny článok na testovanie v solárnom simulátore. Rice inžinieri zvýšili účinnosť 2D perovskitových buniek pri zachovaní ich pevnosti. Poďakovanie: Jeff Fitlow/Rice University

Oba výsledky ukázali, že po 10 minútach pod solárnym simulátorom s hustotou jedného slnka sa dvojrozmerný perovskit zmenšil o 0,4 % na dĺžku a asi o 1 % zhora nadol. Ukázali, že efekt možno vidieť už o minútu pod intenzitou piateho slnka.

„Nezdá sa to veľa, ale toto 1% zmenšenie vzdialenosti mriežky vedie k výraznému zvýšeniu toku elektrónov,“ povedal Wenbin Lee, postgraduálny študent na Rice a spoluautor. „Náš výskum ukazuje trojnásobné zvýšenie elektronickej vodivosti materiálu.“

Povaha sieťoviny zároveň spôsobila, že materiál je menej náchylný na poškodenie aj pri zahriatí na 80 stupňov Celzia (176 stupňov F). Vedci tiež zistili, že mriežka sa po vypnutí svetla rýchlo uvoľnila späť do normálneho tvaru.

„Jednou z hlavných atrakcií 2D perovskitu je to, že zvyčajne obsahujú organické atómy, ktoré pôsobia ako bariéry proti vlhkosti, sú tepelne stabilné a riešia problémy s migráciou iónov,“ povedal Siraj Siddik, postgraduálny študent a spoluautor. „3D perovskity sú vystavené tepelnej a svetelnej nestabilite, takže výskumníci začali vrstviť 2D vrstvy na perovskit, aby zistili, či dokážu získať to najlepšie z týchto dvoch.

„Pomysleli sme si: ‚Poďme len na 2D a urobme to funkčné,“ povedal.

Postgraduálny študent Rice University Wenbin Lee, chemický a biomolekulárny inžinier Aditya Mohit a postgraduálny študent Siraj Sidhik viedli projekt výroby dvojrozmerného vystuženého perovskitu pre efektívne solárne články. Poďakovanie: Jeff Fitlow/Rice University

Na monitorovanie kontrakcie materiálu v akcii tím použil dve používateľské zariadenia Úradu vedy (DOE) Ministerstva energetiky USA (DOE): Národný zdroj synchrotrónového svetla II v Národnom laboratóriu ministerstva energetiky v Brookhavene a Pokročilý zdroj fotónov. (APS) na ministerstve energetiky Argonne National. Lab.

Fyzik z Argonne Joe Strzalka, spoluautor článku, použil ultrajasné röntgenové lúče APS na zachytenie malých štrukturálnych zmien v materiáli v reálnom čase. Citlivé prístroje v Beamline 8-ID-E umožňujú APS vykonávať „operandové“ štúdie, teda tie, ktoré sa vykonávajú, keď prístroj prechádza kontrolovanými zmenami teploty alebo prostredia za normálnych prevádzkových podmienok. V tomto prípade Strzalka a kolegovia vystavili fotoaktívny materiál zo solárneho článku, aby simulovali slnečné svetlo pri udržiavaní konštantnej teploty a pozorovali malé kontrakcie na úrovni atómov.

Ako kontrolný experiment Strzalka a jeho kolegovia tiež udržiavali v miestnosti tmu a zvýšili teplotu, pričom si všimli opačný efekt – expanziu materiálu. To ukázalo, že premenu spôsobilo samotné svetlo, nie teplo, ktoré vytváralo.

„Pre takéto zmeny je dôležité robiť operné štúdiá,“ povedal Strzalka. „Rovnakým spôsobom, akým chce váš mechanik naštartovať váš motor, aby videl, čo sa deje vo vnútri, chceme v podstate nasnímať video z tohto posunu a nie jeden záber. Utility ako APS nám to umožňujú.“

Strzalka poznamenal, že APS je uprostred veľkej inovácie, ktorá zvýši jas röntgenového žiarenia až 500-krát. Po dokončení povedal, že jasnejšie lúče a rýchlejšie a jasnejšie detektory zlepšia schopnosť vedcov detekovať tieto zmeny s väčšou citlivosťou.

To môže pomôcť tímu Rice upraviť materiály pre lepší výkon. „Sme na dobrej ceste dosiahnuť viac ako 20 % účinnosť pomocou inžinierskych katiónov a rozhraní,“ povedal váš priateľ. „Zmení to všetko v oblasti perovskitu, pretože potom ľudia začnú používať 2D perovskit pre synonymá 2D perovskit/kremík a 2D/3D perovskit, čo umožňuje efektivitu takmer 30 %. Vďaka tomu bude pre marketing atraktívny.“

Odkaz: „Svetlom aktivované zmršťovanie medzivrstvy v dvojrozmernom perovskite pre vysokoúčinné solárne články“ od Wenbin Li, Siraj Seddhik, Boubacar Traore, Reza Asadpour, Jin Ho, Hao Zhang, Austin Ver, Joseph Eismann, Yaffee Wang a 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 a Aditya D. Mohti, 22. novembra 2021, k dispozícii tu. Prírodná nanotechnológia.
DOI: 10.1038 / s41565-021-01010-2

Spoluautormi článku sú absolventi Riceovej Jin Ho, Hao Zhang a Austin Fehr, vysokoškolák Joseph Eastman a výmenný študent Yaffe Wang a spoluautor Jean-Christophe Blancun, vedúci vedecký pracovník v Mohitovom laboratóriu; Boubacar Traore, Claudine Cattan z INSA; Reza Asadpour a Muhammad Alam z Bordeaux; Justin Hoffman, Ioannis Spanopoulos a Mercury Kanatzidis zo severozápadu; Jared je háčkovaný od Los Alamos a Esther Tsai od Brookhaven.

Výskumný úrad armády, Francúzsky akademický inštitút, Národná vedecká nadácia (20-587, 1724728), Námorný výskumný úrad (N00014-20-1-2725) a Vedecký úrad ministerstva energetiky (AC02-06CH11357) podporovali výskum.