2D Perovskit Kullanan Ultra İnce Güneş Pilleri Güçleniyor

Perovskit bileşiğinin iki boyutlu bir tabakası, önceki perovskitlerin aksine çevresel korozyona dayanabilen verimli bir güneş pili için temel oluşturur. Rice Üniversitesi’ndeki mühendisler, iki boyutlu perovskitin fotovoltaik verimliliğini %18’e kadar artırdı. Kredi: Jeff Fitlow/Rice Üniversitesi

Pirinç laboratuvarı, 2D perovskit kompleksinin daha büyük ürünlere meydan okumak için doğru bileşenleri içerdiğini buldu.

Rice Üniversitesi mühendisleri, atomik incelikte yarı iletken perovskit güneş pilleri tasarlamada yeni bir standart belirleyerek verimliliklerini artırırken çevre dostu olmaya devam ediyor.

اكتشف مختبر Aditya Mohite التابع لكلية جورج براون للهندسة في رايس أن ضوء الشمس نفسه ينقبض المسافة بين الطبقات الذرية في البيروفسكايت ثنائي الأبعاد بما يكفي لتحسين كفاءة المواد الكهروضوئية بنسبة تصل إلى 18٪ ، وهي قفزة مذهلة في مجال غالبًا ما يكون فيه التقدم تقاس في كسور من yüzdelik.

Moheti, “10 yılda perovskitin verimliliği yaklaşık %3’ten %25’in üzerine çıktı.” Dedi. Diğer yarı iletkenlerin oraya ulaşması yaklaşık 60 yıl aldı. Bu yüzden çok heyecanlıyız. “

arama görünür Doğa nanoteknolojisi.

Perovskitler, küp benzeri kristal kafeslere sahip bileşiklerdir ve oldukça verimli optik hasat makineleridir. Potansiyelleri yıllardır biliniyor, ancak bir ikilem sunuyorlar: Güneş ışığını enerjiye dönüştürmekte başarılılar, ancak güneş ışığı ve nem onları bozuyor.

Kimyasal ve biyomoleküler mühendislik, malzeme bilimi ve nanomühendislik doçenti Mohit, “Güneş pili teknolojisinin 20 ila 25 yıl arasında faaliyet göstermesi bekleniyor” dedi. “Yıllarca çalıştık ve yüksek verimli ancak kararlı olmayan büyük miktarlardaki perovskitlerle çalışmaya devam ediyoruz. Buna karşılık, 2D perovskitler muazzam bir stabiliteye sahip ancak bir yüzeye yerleştirilecek kadar verimli değiller.

“En büyük sorun, istikrardan ödün vermeden onu etkili kılmaktı” dedi.

Purdue ve Northwestern Üniversiteleri, ABD Enerji Bakanlığı Los Alamos, Argonne ve Brookhaven Ulusal Laboratuvarları ve Rennes, Fransa’daki Elektronik ve Dijital Teknolojiler Enstitüsü (INSA) pirinç mühendisleri ve işbirlikçileri, bazı iki boyutlu perovskitlerde, güneş ışığının olduğunu keşfettiler. etkili bir şekilde azaltılır. Atomlar arasındaki mesafe, akım taşıma yeteneklerini geliştirir.

Rice Üniversitesi’nde yüksek lisans öğrencisi olan Siraj Sedik, iki boyutlu perovskitte donan bir bileşik içeren bir substratı döndürmeye hazırlanıyor. Pirinç mühendisleri, perovskite ekranların verimli ve sağlam güneş pilleri için umut verici olduğunu bulmuşlardır. Kredi: Jeff Fitlow/Rice Üniversitesi

Mohit, “Malzemeyi yaktığınızda, bir sünger gibi sıkıştırdığınızı ve bu yönde yük transferini artırmak için katmanları bir araya getirdiğinizi gördük.” Dedi. Araştırmacılar, üst kısımdaki iyodür arasında organik katyonların katmanlandığını ve alt kısımdaki katmanlar arasındaki gelişmiş etkileşimleri yönlendirdiğini buldular.

Mohit, “Bu çalışmanın, bir katmandaki pozitif bir yükün ve diğerindeki negatif bir yükün birbiriyle konuşabileceği, heyecanlı durumlar ve yarı parçacıkların incelenmesi için önemli etkileri vardır.” Dedi. “Bunlara, benzersiz özelliklere sahip olabilecek eksitonlar denir.

“Bu etki bize, iki boyutlu geçiş metali dikalkojenitleri gibi karmaşık heterojen yapılar oluşturmadan bu temel hafif madde etkileşimlerini anlama ve uyarlama fırsatı verdi” dedi.

Deneyler, Fransa’daki meslektaşları tarafından bilgisayar modelleri tarafından doğrulandı. INSA fizik profesörü Jackie Even, “Bu çalışma, son teknoloji simülasyon tekniklerini, büyük ölçekli ulusal senkrotron tesislerini kullanan fiziksel araştırmaları ve operasyonel güneş pillerinin yerinde karakterizasyonlarını birleştirmek için eşsiz bir fırsat sağladı” dedi. “Kağıt, ilk kez filtrasyon fenomeninin bir perovskite malzemede şarj akımı akışını nasıl aniden tetiklediğini gösteriyor.”

Rice Üniversitesi’nde yüksek lisans öğrencisi olan Wenbin Li, bir güneş simülatöründe test etmek için 2 boyutlu bir perovskit güneş pili hazırlıyor. Pirinç mühendisleri, dayanıklılıklarını korurken 2D perovskite hücrelerin verimliliğini artırdı. Kredi: Jeff Fitlow/Rice Üniversitesi

Her iki sonuç da, bir güneş yoğunluğuna sahip bir güneş simülatörü altında 10 dakika sonra, iki boyutlu perovskitin boyunda %0.4 ve yukarıdan aşağıya yaklaşık %1 küçüldüğünü gösterdi. Etkisinin beşinci güneşin yoğunluğunun bir dakika altında görülebileceğini gösterdiler.

Rice’da yüksek lisans öğrencisi ve yardımcı yazar Wenbin Lee, “Pek fazla görünmüyor, ancak kafes aralığındaki bu %1’lik daralma elektron akışında önemli bir artışa yol açıyor” dedi. “Araştırmamız, malzemenin elektronik iletkenliğinde üç kat artış olduğunu gösteriyor.”

Aynı zamanda, ağın yapısı, malzemeyi 80 dereceye kadar ısıtıldığında bile hasara karşı daha az duyarlı hale getirdi. santigrat (176 derece F). Araştırmacılar ayrıca, ışık kapatıldığında kafesin hızla normal şekline geri döndüğünü buldular.

Bir yüksek lisans öğrencisi ve yardımcı yazar olan Siraj Siddik, “2D perovskite’nin ana cazibe merkezlerinden biri, tipik olarak nem bariyeri görevi gören, termal olarak kararlı olan ve iyon göçü sorunlarını çözen organik atomlar içermesidir” dedi. “3D perovskitler, ısı ve ışık dengesizliğine maruz kalıyorlar, bu yüzden araştırmacılar, ikisinden en iyisini elde edip edemeyeceklerini görmek için perovskitin üzerine 2D katmanlar yerleştirmeye başladılar.

“‘Sadece 2D ile gidelim ve onu işlevsel hale getirelim’ diye düşündük” dedi.

Rice Üniversitesi yüksek lisans öğrencisi Wenbin Lee, kimya ve biyomoleküler mühendis Aditya Mohit ve yüksek lisans öğrencisi Siraj Sidhik, verimli güneş pilleri için iki boyutlu güçlendirilmiş perovskit üretme projesini yönetti. Kredi: Jeff Fitlow/Rice Üniversitesi

Malzemenin hareket halindeki daralmasını izlemek için ekip, iki ABD Enerji Bakanlığı (DOE) Bilim Ofisi (DOE) Bilim Ofisi kullanıcı tesisi kullandı: Energy’s Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki Ulusal Synchrotron Işık Kaynağı II ve Gelişmiş Foton Kaynağı (APS) Enerji Bakanlığı Argonne National’da. laboratuvar

Makalenin ortak yazarlarından Argonne fizikçisi Joe Strzalka, malzemedeki küçük yapısal değişiklikleri gerçek zamanlı olarak yakalamak için APS’nin ultra parlak X-ışınlarını kullandı. Beamline 8-ID-E’deki hassas cihazlar, APS’nin “operando” çalışmalarını, yani cihaz normal çalışma koşulları altında sıcaklıkta veya ortamda kontrollü değişikliklere maruz kalırken yürütülen çalışmaları gerçekleştirmesine izin verir. Bu durumda, Strzalka ve meslektaşları, sıcaklığı sabit tutarken güneş ışığını simüle etmek için güneş pilinden fotoaktif malzemeyi açığa çıkardılar ve atom seviyesinde küçük kasılmalar gözlemlediler.

Bir kontrol deneyi olarak, Strzalka ve meslektaşları da odayı karanlık tuttular ve sıcaklığı yükselttiler, bunun tersi bir etkiyi, yani malzemenin genişlemesini fark ettiler. Bu, dönüşüme neden olanın ürettiği ısı değil, ışığın kendisi olduğunu gösterdi.

Strzalka, “Bu tür değişiklikler için opera çalışmaları yapmak önemlidir” dedi. “Teknisyeninizin içeride neler olup bittiğini görmek için motorunuzu çalıştırmak istemesiyle aynı şekilde, biz de temel olarak tek bir çekim yerine bu değişimin bir videosunu çekmek istiyoruz. APS gibi yardımcı programlar bunu yapmamıza izin veriyor.”

Strzalka, APS’nin X-ışını parlaklığını 500 kata kadar artıracak büyük bir yükseltmenin ortasında olduğunu kaydetti. Tamamlandığında, daha parlak ışınlar ve daha hızlı, daha net dedektörler, bilim adamlarının bu değişiklikleri daha hassas bir şekilde tespit etme yeteneklerini geliştireceğini söyledi.

Bu, Rice ekibinin daha iyi performans için malzemeleri değiştirmesine yardımcı olabilir. Arkadaşınız, “Mühendislik katyonları ve arayüzleri ile %20’den fazla verimlilik elde etme yolundayız” dedi. “Perovskite alanındaki her şeyi değiştirecek, çünkü o zaman insanlar 2D perovskite/silikon ve 2D/3D perovskite eşanlamlıları için 2D perovskite kullanmaya başlayacak ve bu da %30’a yakın verimlilik sağlayabilir. Bu, pazarlama için çekici hale getirecek.”

Referans: Wenbin Li, Siraj Seddhik, Boubacar Traore, Reza Asadpour, Jin Ho, Hao Zhang, Austin Ver, Joseph Eismann, Yaffee Wang ve Justin M tarafından “Yüksek Verimli Güneş Hücreleri için İki Boyutlu Perovskite’de Işıkla Aktifleşen Ara Katman Büzülmesi” . Hoffman, Ioannis Spanopoulos, Jared J. Crochet, Esther Tsai, Joseph Strzalka, Claudine Cattan, Muhammed A. Alam, Mercury J. Kanatzidis, Jackie Even, Jean-Christophe Blancon ve Aditya D. Mohti, 22 Kasım 2021, Buradan ulaşabilirsiniz. Doğanın nanoteknolojisi.
DOI: 10.1038 / s41565-021-01010-2

Makalenin ortak yazarları, Rice lisansüstü öğrencileri Jin Ho, Hao Zhang ve Austin Fehr, lisans öğrencisi Joseph Eastman ve değişim öğrencisi Yaffe Wang ve Mohit’in laboratuvarında kıdemli bir bilim adamı olan ortak yazar Jean-Christophe Blancun; Boubacar Traore, INSA’dan Claudine Cattan; Bordeaux’dan Reza Asadpour ve Muhammad Alam; Kuzeybatıdan Justin Hoffman, Ioannis Spanopoulos ve Mercury Kanatzidis; Jared, Los Alamos ve Esther Tsai, Brookhaven tarafından tığ işi.

Ordu Araştırma Ofisi, Fransa Akademik Enstitüsü, Ulusal Bilim Vakfı (20-587, 1724728), Deniz Araştırma Ofisi (N00014-20-1-2725) ve Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi (AC02-06CH11357) araştırmaları destekledi.