Εξαιρετικά λεπτά ηλιακά κύτταρα που χρησιμοποιούν 2D περοβσκίτες παίρνουν ώθηση

Το εργαστήριο ρυζιού διαπιστώνει ότι το σύμπλεγμα 2D περοβσκίτη περιέχει τα κατάλληλα συστατικά για να προκαλέσει μεγαλύτερα προϊόντα.

Οι μηχανικοί του Πανεπιστημίου Rice έθεσαν ένα νέο πρότυπο στο σχεδιασμό ηλιακών κυψελών με λεπτές ατομικές δομές κατασκευασμένες από ημιαγωγούς περοβσκίτη, ενισχύοντας την απόδοσή τους ενώ παράλληλα είναι φιλικά προς το περιβάλλον.

Το εργαστήριο Aditya Mohite της Σχολής Μηχανικών George Brown στο Ράις ανακάλυψε ότι το ίδιο το ηλιακό φως συστέλλει τον χώρο μεταξύ των ατομικών στρωμάτων σε δισδιάστατο περοβσκίτη αρκετά ώστε να βελτιώσει την απόδοση των φωτοβολταϊκών υλικών έως και 18%, ένα εκπληκτικό άλμα σε μια περιοχή όπου η πρόοδος συχνά μετριέται σε κλάσματα τοις εκατό.

«Σε 10 χρόνια, η απόδοση του περοβσκίτη έχει αυξηθεί από περίπου 3% σε περισσότερο από 25%,» είπε ο Μοχέτι. Άλλοι ημιαγωγοί χρειάστηκαν περίπου 60 χρόνια για να φτάσουν εκεί. Γι’ αυτό είμαστε τόσο ενθουσιασμένοι. “

Η αναζήτηση εμφανίζεται στο Νανοτεχνολογία της φύσης.

Οι περοβσκίτες είναι ενώσεις με κρυσταλλικά πλέγματα που μοιάζουν με κύβο και είναι υψηλής απόδοσης οπτικοί θεριστικές μηχανές. Οι δυνατότητές τους είναι γνωστές εδώ και χρόνια, αλλά παρουσιάζουν ένα δίλημμα: Είναι καλοί στο να μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ενέργεια, αλλά το φως του ήλιου και η υγρασία τους υποβαθμίζουν.

«Η τεχνολογία των ηλιακών κυττάρων αναμένεται να είναι λειτουργική για 20 έως 25 χρόνια», δήλωσε ο Μοχίτ, αναπληρωτής καθηγητής χημικής και βιομοριακής μηχανικής, επιστήμης υλικών και νανομηχανικής. «Έχουμε δουλέψει για πολλά χρόνια και συνεχίζουμε να εργαζόμαστε με μεγάλες ποσότητες περοβσκίτες που είναι εξαιρετικά αποδοτικοί αλλά όχι σταθεροί. Αντίθετα, οι 2D περοβσκίτες έχουν τρομερή σταθερότητα αλλά δεν είναι αρκετά αποτελεσματικοί για να τοποθετηθούν σε μια επιφάνεια.

«Το μεγάλο ζήτημα ήταν να γίνει αποτελεσματικό χωρίς να διακυβεύεται η σταθερότητα», είπε.

Μηχανικοί ρυζιού και συνεργάτες στα Πανεπιστήμια Purdue και Northwestern, των Εθνικών Εργαστηρίων του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ Los Alamos, Argonne και Brookhaven και του Ινστιτούτου Ηλεκτρονικών και Ψηφιακών Τεχνολογιών (INSA) στη Ρεν της Γαλλίας, ανακάλυψαν ότι σε ορισμένους δισδιάστατους περοβσκίτες, το ηλιακό φως μειώνεται ουσιαστικά. Η απόσταση μεταξύ των ατόμων, βελτιώνοντας την ικανότητά τους να μεταφέρουν ρεύμα.

Ο Siraj Sedik, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο Rice, ετοιμάζεται να περιστρέψει ένα υπόστρωμα με μια ένωση που παγώνει σε δισδιάστατο περοβσκίτη. Οι μηχανικοί ρυζιού ανακάλυψαν ότι οι οθόνες περοβσκίτη είναι πολλά υποσχόμενες για αποτελεσματικά και στιβαρά ηλιακά κύτταρα. Πίστωση: Jeff Fitlow/Πανεπιστήμιο Rice

«Βρήκαμε ότι όταν ανάβεις το υλικό, το συμπιέζεις σαν σφουγγάρι και φέρνεις τα στρώματα μαζί για να βελτιώσεις τη μεταφορά φορτίου προς αυτή την κατεύθυνση», είπε ο Μοχίτ. Οι ερευνητές βρήκαν ότι στρώνουν οργανικά κατιόντα μεταξύ του ιωδίου στην κορυφή και οδηγούν τις βελτιωμένες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των στρωμάτων στο κάτω μέρος.

«Αυτή η εργασία έχει σημαντικές συνέπειες για τη μελέτη διεγερμένων καταστάσεων και οιονεί σωματιδίων στα οποία ένα θετικό φορτίο στο ένα στρώμα και ένα αρνητικό φορτίο στο άλλο μπορούν να συνομιλήσουν μεταξύ τους», είπε ο Μοχίτ. «Αυτά ονομάζονται εξιτόνια, τα οποία μπορεί να έχουν μοναδικές ιδιότητες.

«Αυτό το φαινόμενο μας έδωσε την ευκαιρία να κατανοήσουμε και να προσαρμόσουμε αυτές τις βασικές αλληλεπιδράσεις φωτός-ύλης χωρίς να δημιουργήσουμε περίπλοκες ετερογενείς δομές όπως τα δισδιάστατα διχαλκογονίδια μετάλλων μετάπτωσης», είπε.

Τα πειράματα επιβεβαιώθηκαν από μοντέλα υπολογιστών από συναδέλφους στη Γαλλία. «Αυτή η μελέτη έδωσε μια μοναδική ευκαιρία να συνδυαστούν τεχνικές προσομοίωσης αιχμής, φυσικές έρευνες χρησιμοποιώντας μεγάλης κλίμακας εθνικές εγκαταστάσεις σύγχροτρον και επιτόπιους χαρακτηρισμούς λειτουργικών ηλιακών κυττάρων», δήλωσε ο Jackie Even, καθηγητής φυσικής στο INSA. «Το χαρτί απεικονίζει για πρώτη φορά πώς το φαινόμενο της διήθησης προκαλεί ξαφνικά τη ροή του ρεύματος φόρτισης σε ένα υλικό περοβσκίτη».

Ο Wenbin Li, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο Rice, προετοιμάζει ένα 2-D ηλιακό στοιχείο περοβσκίτη για δοκιμή σε ηλιακό προσομοιωτή. Οι μηχανικοί του ρυζιού έχουν ενισχύσει την αποτελεσματικότητα των κυψελών περοβσκίτη 2D διατηρώντας παράλληλα την σκληρότητά τους. Πίστωση: Jeff Fitlow/Πανεπιστήμιο Rice

Και τα δύο αποτελέσματα έδειξαν ότι μετά από 10 λεπτά κάτω από έναν ηλιακό προσομοιωτή με πυκνότητα ενός ήλιου, ο δισδιάστατος περοβσκίτης συρρικνώθηκε 0,4% σε μήκος και περίπου 1% από πάνω προς τα κάτω. Έδειξαν ότι το αποτέλεσμα μπορεί να φανεί σε ένα λεπτό κάτω από την ένταση του πέμπτου ήλιου.

“Δεν φαίνεται πολύ, αλλά αυτή η συστολή 1% στην απόσταση του πλέγματος οδηγεί σε σημαντική ενίσχυση της ροής ηλεκτρονίων”, δήλωσε ο Wenbin Lee, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Rice και συν-επικεφαλής συγγραφέας. «Η έρευνά μας δείχνει τριπλάσια αύξηση στην ηλεκτρονική αγωγιμότητα του υλικού».

Ταυτόχρονα, η φύση του πλέγματος έκανε το υλικό λιγότερο επιρρεπές σε ζημιές, ακόμη και όταν θερμανθεί στους 80 βαθμούς Κελσίου (176 μοίρες φά). Οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ότι το πλέγμα χαλάρωσε γρήγορα στο κανονικό του σχήμα μόλις σβήσει το φως.

«Ένα από τα κύρια αξιοθέατα του 2D περοβσκίτη είναι ότι συνήθως περιέχουν οργανικά άτομα που λειτουργούν ως φραγμοί υγρασίας, είναι θερμικά σταθερά και λύνουν προβλήματα μετανάστευσης ιόντων», δήλωσε ο Siraj Siddik, μεταπτυχιακός φοιτητής και συν-επικεφαλής συγγραφέας. «Οι τρισδιάστατοι περοβσκίτες υπόκεινται σε αστάθεια θερμότητας και φωτός, έτσι οι ερευνητές άρχισαν να τοποθετούν στρώματα 2D στην κορυφή του περοβσκίτη για να δουν αν θα μπορούσαν να πάρουν το καλύτερο από τα δύο.

“Σκεφτήκαμε, “Ας πάμε μόνο με το 2D και ας το κάνουμε λειτουργικό”, είπε.

Ο μεταπτυχιακός φοιτητής του Πανεπιστημίου Rice Wenbin Lee, ο χημικός και βιομοριακός μηχανικός Aditya Mohit και ο μεταπτυχιακός φοιτητής Siraj Sidhik ηγήθηκαν του έργου για την παραγωγή δισδιάστατου ενισχυμένου περοβσκίτη για αποδοτικά ηλιακά κύτταρα. Πίστωση: Jeff Fitlow/Πανεπιστήμιο Rice

Για να παρακολουθήσει τη συστολή του υλικού στη δράση, η ομάδα χρησιμοποίησε δύο εγκαταστάσεις χρήστη του Γραφείου Επιστήμης του Υπουργείου Ενέργειας (DOE) των ΗΠΑ: την National Synchrotron Light Source II στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven του Τμήματος Ενέργειας και την Προηγμένη Πηγή Φωτονίων (APS) στο Argonne National του Υπουργείου Ενέργειας. Εργαστήριο.

Ο φυσικός Argonne Joe Strzalka, ένας συν-συγγραφέας στο χαρτί, χρησιμοποίησε τις εξαιρετικά φωτεινές ακτίνες Χ του APS για να καταγράψει μικρές δομικές αλλαγές στο υλικό σε πραγματικό χρόνο. Τα ευαίσθητα όργανα στο Beamline 8-ID-E επιτρέπουν στο APS να εκτελεί μελέτες “operando”, δηλαδή αυτές που διεξάγονται ενώ το όργανο υφίσταται ελεγχόμενες αλλαγές θερμοκρασίας ή περιβάλλοντος υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας. Σε αυτή την περίπτωση, ο Strzalka και οι συνεργάτες του εξέθεσαν το φωτοδραστικό υλικό από το ηλιακό κύτταρο για να προσομοιώσουν το ηλιακό φως διατηρώντας τη θερμοκρασία σταθερή και παρατήρησαν μικρές συστολές σε ατομικό επίπεδο.

Ως πείραμα ελέγχου, ο Strzalka και οι συνεργάτες του κράτησαν επίσης το δωμάτιο σκοτεινό και αύξησαν τη θερμοκρασία, παρατηρώντας το αντίθετο αποτέλεσμα – τη διαστολή του υλικού. Αυτό έδειξε ότι ήταν το ίδιο το φως, όχι η θερμότητα που παρήγαγε, που προκάλεσε τη μεταμόρφωση.

«Για τέτοιες αλλαγές, είναι σημαντικό να κάνουμε σπουδές όπερας», είπε η Στρζάλκα. “Με τον ίδιο τρόπο που ο μηχανικός σας θέλει να εκκινήσει τον κινητήρα σας για να δει τι συμβαίνει μέσα, θέλουμε βασικά να τραβήξουμε ένα βίντεο αυτής της αλλαγής αντί για μία λήψη. Τα βοηθητικά προγράμματα όπως το APS μας επιτρέπουν να το κάνουμε.”

Ο Strzalka σημείωσε ότι το APS βρίσκεται στη μέση μιας σημαντικής αναβάθμισης που θα αυξήσει τη φωτεινότητα των ακτίνων Χ έως και 500 φορές. Όταν ολοκληρωθούν, είπε, οι φωτεινότερες δέσμες και οι ταχύτεροι, πιο καθαροί ανιχνευτές θα βελτιώσουν την ικανότητα των επιστημόνων να ανιχνεύουν αυτές τις αλλαγές με μεγαλύτερη ευαισθησία.

Αυτό μπορεί να βοηθήσει την ομάδα του Rice να τροποποιήσει τα υλικά για καλύτερη απόδοση. “Είμαστε σε καλό δρόμο για να επιτύχουμε περισσότερο από 20% αποτελεσματικότητα με τη μηχανική κατιόντων και διεπαφών”, είπε ο φίλος σας. “Θα αλλάξει τα πάντα στον τομέα του περοβσκίτη, γιατί τότε οι άνθρωποι θα αρχίσουν να χρησιμοποιούν 2D περοβσκίτη για 2D περοβσκίτη/πυρίτιο και 2D/3D συνώνυμα περοβσκίτη, τα οποία μπορούν να επιτρέψουν αποτελεσματικότητα κοντά στο 30%. Αυτό θα τον κάνει ελκυστικό για μάρκετινγκ.”

Παραπομπή: «Ενεργοποιημένη από το φως συρρίκνωση ενδιάμεσων στρωμάτων σε δισδιάστατο περοβσκίτη για ηλιακά κύτταρα υψηλής απόδοσης» από τους Wenbin Li, Siraj Seddhik, Boubacar Traore, Reza Asadpour, Jin Ho, Hao Zhang, Austin Ver, Joseph Eismann, Yaffee Wang και Justin M . Hoffman, Ιωάννης Σπανόπουλος, Jared J. Crochet, Esther Tsai, Joseph Strzalka, Claudine Cattan, Muhammed A. Alam, Mercury J. Kanatzidis, Jackie Even, Jean-Christophe Blancon και Aditya D. Mohti, 22 Νοεμβρίου 2021, Διαθέσιμο εδώ. Νανοτεχνολογία της φύσης.
DOI: 10.1038 / s41565-021-01010-2

Συν-συγγραφείς της εργασίας είναι οι απόφοιτοι Rice Jin Ho, Hao Zhang και Austin Fehr, ο προπτυχιακός Joseph Eastman και ο φοιτητής ανταλλαγής Yaffe Wang και ο συν-συγγραφέας Jean-Christophe Blancun, ανώτερος επιστήμονας στο εργαστήριο του Mohit. Boubacar Traore, Claudine Cattan του INSA; Ο Reza Asadpour και ο Muhammad Alam από το Bordeaux. Ο Τζάστιν Χόφμαν, ο Ιωάννης Σπανόπουλος και ο Μέρκιουρι Κανατζίδης από το Northwest. Ο Jared είναι κροσέ από τον Los Alamos και η Esther Tsai από τον Brookhaven.

Το Γραφείο Ερευνών Στρατού, το Ακαδημαϊκό Ινστιτούτο της Γαλλίας, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (20-587, 1724728), το Γραφείο Ναυτικών Ερευνών (N00014-20-1-2725) και το Γραφείο Επιστημών του Τμήματος Ενέργειας (AC02-06CH11357) υποστήριξαν την έρευνα.