Qeliza diellore ultra të holla?

Qeliza diellore ultra të holla?

Qelizat diellore ultra të holla të përmirësuara: Përbërjet 2D të perovskitit kanë materialet e përshtatshme për të sfiduar produktet e mëdha.

Inxhinierët në Universitetin Rice kanë arritur standarde të reja në projektimin e qelizave të holla diellore në shkallë atomike të bëra nga perovskite gjysmëpërçuese, duke rritur efikasitetin e tyre duke ruajtur aftësinë e tyre për t'i bërë ballë mjedisit.

Laboratori Aditya Mohite i Shkollës së Inxhinierisë George R Brown të ​​Universitetit Rice zbuloi se rrezet e diellit zvogëlojnë hapësirën midis shtresave atomike në një perovskite dydimensionale, mjaftueshëm për të rritur efikasitetin fotovoltaik të materialit deri në 18%, që është përparim i shpeshtë. . Është arritur një kërcim fantastik në terren dhe i matur në përqindje.

“Në 10 vjet, efikasiteti i perovskitit është rritur nga rreth 3% në më shumë se 25%,” tha Mohite. "Gjysëmpërçuesve të tjerë do të duhen rreth 60 vjet për t'u arritur. Kjo është arsyeja pse ne jemi kaq të emocionuar."

Perovskiti është një përbërje me një grilë kub dhe është një kolektor efikas i dritës. Potenciali i tyre është i njohur për shumë vite, por ata kanë një problem: Ata mund ta shndërrojnë dritën e diellit në energji, por rrezet e diellit dhe lagështia mund t'i degradojnë ato.

"Teknologjia e qelizave diellore pritet të zgjasë 20 deri në 25 vjet," tha Mohite, profesor i asociuar i inxhinierisë kimike dhe biomolekulare dhe shkencës së materialeve dhe nanoinxhinierisë. “Kemi shumë vite që punojmë dhe vazhdojmë të përdorim perovskite të mëdhenj që janë shumë efektivë, por jo shumë të qëndrueshëm, në të kundërt, perovskitët dydimensionale kanë qëndrueshmëri të shkëlqyeshme por nuk janë aq efikas sa të vendosen në çati.

"Problemi më i madh është t'i bëjmë ato efikase pa kompromentuar stabilitetin."
Inxhinierët e Rice dhe bashkëpunëtorët e tyre nga Universiteti Purdue dhe Universiteti Northwestern, Los Alamos, Argonne dhe Brookhaven të Laboratorit Kombëtar të Departamentit të Energjisë të SHBA-së dhe Instituti i Elektronikës dhe Teknologjisë Dixhitale (INSA) në Rennes, Francë, dhe bashkëpunëtorët e tyre zbuluan se në disa perovskite dydimensionale, rrezet e diellit zvogëlojnë në mënyrë efektive hapësirën midis atomeve, duke rritur aftësinë e tyre për të bartur rrymë elektrike.

"Ne zbuluam se kur e ndezni materialin, ju e shtrydhni atë si një sfungjer dhe mblidhni shtresat së bashku për të përmirësuar transferimin e ngarkesës në atë drejtim," tha Mocht. Studiuesit zbuluan se vendosja e një shtrese kationesh organike midis jodidit në krye dhe plumbit në fund mund të përmirësojë ndërveprimin midis shtresave.

"Kjo punë ka një rëndësi të madhe për studimin e gjendjeve të ngacmuara dhe kuazigrimcave, ku një shtresë e ngarkesës pozitive është në anën tjetër, dhe ngarkesa negative është në anën tjetër, dhe ata mund të flasin me njëri-tjetrin," tha Mocht. “Këto quhen eksitone dhe mund të kenë veti unike.

"Ky efekt na lejon të kuptojmë dhe rregullojmë këto ndërveprime bazë të lëndës dritë pa krijuar heterostruktura komplekse si dikalkogjenidet e metaleve të tranzicionit 2D të grumbulluara," tha ai.

Kolegët në Francë konfirmuan eksperimentin me një model kompjuterik. Jacky Even, profesor i fizikës në INSA, tha: "Ky kërkim ofron një mundësi unike për të kombinuar teknologjinë më të avancuar të simulimit ab initio, kërkimin e materialeve duke përdorur pajisje kombëtare sinkrotronike në shkallë të gjerë dhe karakterizimin in-situ të qelizave diellore në funksion. Kombinoje ." "Ky punim përshkruan për herë të parë se si fenomeni i kullimit lëshon papritur rrymën e karikimit në materialin perovskit."

Të dy rezultatet tregojnë se pas 10 minutash ekspozimi ndaj simulatorit diellor me një intensitet diellor, perovskiti dydimensional tkurret me 0.4% përgjatë gjatësisë së tij dhe rreth 1% nga lart poshtë. Ata vërtetuan se efekti mund të shihej brenda 1 minute nën pesë intensitete dielli.

"Nuk duket shumë, por një tkurrje prej 1% e ndarjes së rrjetës do të shkaktojë një rritje të konsiderueshme në rrjedhën e elektroneve," tha Li Wenbin, një student i diplomuar në Rice dhe autori kryesor. Hulumtimi ynë tregon se përçueshmëria elektronike e materialit është trefishuar”.

Në të njëjtën kohë, natyra e rrjetës kristalore e bën materialin rezistent ndaj degradimit, edhe kur nxehet në 80 gradë Celsius (176 gradë Fahrenheit). Studiuesit zbuluan gjithashtu se grila relaksohet shpejt në konfigurimin e saj standard pasi të fiken dritat.

"Një nga tërheqjet kryesore të perovskiteve 2D është se ato zakonisht kanë atome organike që veprojnë si barriera lagështie, janë termikisht të qëndrueshme dhe zgjidhin problemet e migrimit të joneve," tha studenti i diplomuar dhe autori bashkë-drejtues Siraj Sidhik. “Perovskit 3D janë të prirur ndaj paqëndrueshmërisë termike dhe të dritës, kështu që studiuesit filluan të vendosnin shtresa 2D mbi perovskit masiv për të parë nëse ata mund të përfitonin sa më shumë nga të dyja.

"Ne mendojmë, le të kalojmë në 2D dhe ta bëjmë atë efikas," tha ai.

Për të vëzhguar tkurrjen e materialit, ekipi përdori dy objekte përdoruesi të Zyrës së Shkencës të Departamentit të Energjisë së SHBA-së (DOE): Burimi Kombëtar i Dritës Synchrotron II i Laboratorit Kombëtar Brookhaven të Departamentit të Energjisë së SHBA-së dhe Laboratori i Avancuar i Shtetit të Laboratori Kombëtar Argonne i Departamentit Amerikan të Energjisë. Laboratori i Burimit të Fotonit (APS).

Fizikani Argonne Joe Strzalka, bashkëautori i gazetës, përdor rrezet X ultra të ndritshme të APS për të kapur ndryshime të vogla strukturore në materiale në kohë reale. Instrumenti i ndjeshëm në 8-ID-E të rrezes APS lejon studime "operative", që do të thotë studime të kryera kur pajisja pëson ndryshime të kontrolluara në temperaturë ose mjedis në kushte normale funksionimi. Në këtë rast, Strzalka dhe kolegët e tij e ekspozuan materialin fotosensiv në qelizën diellore ndaj dritës së simuluar të diellit duke mbajtur temperaturën konstante dhe vëzhguan kontraktime të vogla në nivelin atomik.

Si një eksperiment kontrolli, Strzalka dhe bashkautorët e tij e mbajtën dhomën të errët, rritën temperaturën dhe vëzhguan efektin e kundërt - zgjerimin e materialit. Kjo sugjeron që vetë drita, jo nxehtësia që gjeneron, shkaktoi transformimin.

"Për ndryshime të tilla, është e rëndësishme të kryhen kërkime operacionale," tha Strzalka. "Ashtu si mekaniku juaj dëshiron të ndezë motorin tuaj për të parë se çfarë po ndodh në të, ne në thelb duam të bëjmë një video të këtij konvertimi, jo një fotografi të vetme. Pajisjet si APS na lejojnë ta bëjmë këtë."

Strzalka vuri në dukje se APS po kalon një përmirësim të rëndësishëm për të rritur ndriçimin e rrezeve X deri në 500 herë. Ai tha se kur të përfundojë, rrezet më të ndritshme dhe detektorët më të shpejtë dhe më të mprehtë do të rrisin aftësinë e shkencëtarëve për të zbuluar këto ndryshime me ndjeshmëri më të madhe.

Kjo mund të ndihmojë ekipin e Rice të rregullojë materialin për performancë më të mirë. "Ne po dizajnojmë katione dhe ndërfaqe për të arritur efikasitet prej më shumë se 20%," tha Sidhik. "Kjo do të ndryshojë gjithçka në fushën e perovskitit sepse atëherë njerëzit do të fillojnë të përdorin perovskite 2D për seritë perovskite 2D/silikon dhe 2D/3D, të cilat mund të sjellin efikasitetin afër 30%. Kjo do të bëjë që komercializimi i tij të jetë tërheqës."