Двовимірний шар перовскіту є основою для ефективного сонячного елемента, який може протистояти корозії навколишнього середовища, на відміну від попередніх перовскітів. Інженери з Університету Райса підвищили фотоелектричну ефективність двовимірного перовскіту на цілих 18%. Авторство: Джефф Фітлоу/Університет Райса
Лабораторія рису виявила, що 2D-перовскітний комплекс містить потрібні інгредієнти, щоб кинути виклик більшим продуктам.
Інженери Університету Райса встановили новий стандарт у розробці атомно-тонких сонячних батарей, виготовлених із напівпровідників перовскіту, підвищивши їх ефективність, залишаючись при цьому екологічно чистими.
Лабораторія Адитья Мохіта з інженерної школи Джорджа Брауна в Райсі виявила, що саме сонячне світло стискає простір між атомними шарами двовимірного перовскіту достатньо, щоб підвищити ефективність фотоелектричних матеріалів до 18%, що є приголомшливим стрибком в області, де прогрес часто вимірюється частками відсотків.
«За 10 років ефективність перовскіту зросла приблизно з 3% до понад 25%», – сказав Мохеті. Іншим напівпровідникам знадобилося близько 60 років, щоб досягти цього. Тому ми так схвильовані. “
Пошук з’являється в Природні нанотехнології.
Перовскіти – це сполуки з кубоподібними кристалічними ґратами і є високоефективними оптичними комбайнерами. Їх потенціал відомий роками, але вони представляють дилему: вони добре перетворюють сонячне світло в енергію, але сонячне світло і волога погіршують їх.
«Очікується, що технологія сонячних елементів буде функціонувати протягом 20-25 років», — сказав Мохіт, доцент кафедри хімічної та біомолекулярної інженерії, матеріалознавства та наноінженерії. “Ми працювали багато років і продовжуємо працювати з великою кількістю перовскітів, які є високоефективними, але нестабільними. Навпаки, 2D перовскіти мають величезну стабільність, але недостатньо ефективні для розміщення на поверхні”.
«Велика проблема полягала в тому, щоб зробити його ефективним без шкоди для стабільності», – сказав він.
Інженери та співробітники Райса з університетів Пердью та Північно-Західного університету, національних лабораторій Міністерства енергетики США в Лос-Аламосі, Аргонні та Брукхейвені та Інституту електроніки та цифрових технологій (INSA) у Ренні, Франція, виявили, що в деяких двовимірних перовскітах сонячне світло ефективно зменшується. Відстань між атомами, покращуючи їх здатність переносити струм.
Сірадж Седік, аспірант Університету Райса, готується закрутити підкладку із сполукою, яка замерзає в двовимірному перовскіті. Інженери з Райса виявили, що дисплеї з перовскіту є перспективними для ефективних і надійних сонячних елементів. Авторство: Джефф Фітлоу/Університет Райса
«Ми виявили, що коли ви запалюєте матеріал, ви стискаєте його, як губку, і зближуєте шари, щоб посилити передачу заряду в цьому напрямку», — сказав Мохіт. Дослідники виявили, що органічні катіони утворюються між йодидом зверху й покращують взаємодію між шарами внизу.
«Ця робота має важливі наслідки для вивчення збуджених станів і квазічастинок, у яких позитивний заряд на одному шарі та негативний заряд на іншому можуть спілкуватися один з одним», — сказав Мохіт. «Це називається екситонами, які можуть мати унікальні властивості.
«Цей ефект дав нам можливість зрозуміти та адаптувати ці основні взаємодії світла і речовини без створення складних гетерогенних структур, таких як двовимірні дихалькогеніди перехідних металів», — сказав він.
Експерименти були підтверджені комп’ютерними моделями колег з Франції. «Це дослідження дало унікальну можливість об’єднати найсучасніші методи моделювання, фізичні дослідження з використанням великомасштабних національних синхротронних установок та характеристики сонячних елементів, що працюють на місці», – сказав Джекі Евен, професор фізики в INSA. «У статті вперше показано, як явище фільтрації раптово викликає потік зарядового струму в матеріалі перовскіту».
Венбінь Лі, аспірант Університету Райса, готує 2-D перовскітний сонячний елемент для тестування на сонячному симуляторі. Інженери з рису підвищили ефективність 2D перовскітних осередків, зберігши їх міцність. Авторство: Джефф Фітлоу/Університет Райса
Обидва результати показали, що через 10 хвилин під впливом сонячного симулятора з щільністю в одне сонце двовимірний перовскіт зменшився на 0,4% в довжину і приблизно на 1% зверху вниз. Вони показали, що ефект можна побачити на одну хвилину нижче інтенсивності п’ятого сонця.
«Здається, що це не так багато, але це 1% скорочення між решітками призводить до значного посилення потоку електронів», — сказав Венбін Лі, аспірант Rice та один із провідних авторів. «Наше дослідження показує триразове збільшення електронної провідності матеріалу».
У той же час природа сітки робила матеріал менш сприйнятливим до пошкоджень навіть при нагріванні до 80 градусів Цельсія (176 градусів Ф). Дослідники також виявили, що решітка швидко повертається до своєї нормальної форми після вимкнення світла.
«Одною з головних переваг двовимірного перовскіту є те, що він зазвичай містить органічні атоми, які діють як бар’єри для вологи, термічно стабільні та вирішують проблеми міграції іонів», – сказав Сірадж Сіддік, аспірант і провідний автор. «3D-перовскіти схильні до нестабільності тепла та світла, тому дослідники почали накладати 2D-шари поверх перовскіту, щоб побачити, чи зможуть вони отримати найкраще з двох.
«Ми подумали: «Давайте просто перейдемо до 2D і зробимо його функціональним», — сказав він.
Аспірант Університету Райса Венбін Лі, інженер-хімік та біомолекулярний інженер Адитья Мохіт і аспірант Сірадж Сідхік очолили проект виробництва двовимірного посиленого перовскіту для ефективних сонячних елементів. Авторство: Джефф Фітлоу/Університет Райса
Щоб контролювати скорочення матеріалу в дії, команда використовувала два об’єкти для користувачів Управління науки Міністерства енергетики США (DOE): Національне джерело синхротронного світла II у Брукхейвенській національній лабораторії Департаменту енергетики та передове джерело фотонів. (APS) у Департаменті енергетики Argonne National. лабораторія
Фізик з Аргонне Джо Стжалка, співавтор статті, використав ультраяскраві рентгенівські промені APS, щоб зафіксувати невеликі структурні зміни в матеріалі в режимі реального часу. Чутливі інструменти в Beamline 8-ID-E дозволяють APS виконувати «операндо» дослідження, тобто ті, які проводяться, коли прилад зазнає контрольованих змін температури або навколишнього середовища за нормальних умов експлуатації. У цьому випадку Strzalka та його колеги експонували фотоактивний матеріал із сонячної батареї, щоб імітувати сонячне світло, зберігаючи постійну температуру, і спостерігали невеликі скорочення на атомному рівні.
В якості контрольного експерименту Стжалка та його колеги також тримали в кімнаті темну та підвищили температуру, помітивши протилежний ефект — розширення матеріалу. Це показало, що саме світло, а не тепло, яке воно виробляло, спричинило перетворення.
«Для таких змін важливо займатися оперою», – сказав Стжалка. “Так само, як ваш механік хоче запустити ваш двигун, щоб побачити, що відбувається всередині, ми в основному хочемо зняти на відео цю зміну, а не один знімок. Утиліти, такі як APS, дозволяють нам це зробити”.
Стржалка зазначив, що APS знаходиться на стадії серйозного оновлення, яке збільшить яскравість рентгенівського випромінювання до 500 разів. За його словами, яскравіші промені та швидші й чіткіші детектори покращать здатність вчених виявляти ці зміни з більшою чутливістю.
Це може допомогти команді Rice змінити матеріали для кращої продуктивності. «Ми на шляху до досягнення більш ніж 20% ефективності за рахунок інженерних катіонів та інтерфейсів», — сказав ваш друг. “Це змінить все в області перовскіту, тому що тоді люди почнуть використовувати 2D перовскіт для синонімів 2D перовскіт/кремній і 2D/3D перовскіт, що може забезпечити ефективність близько 30%. Це зробить його привабливим для маркетингу”.
Довідка: «Світлоактивована міжшарова усадка в двовимірному перовскіті для високоефективних сонячних батарей» Венбін Лі, Сірадж Седхік, Бубакар Траоре, Реза Асадпур, Джін Хо, Хао Чжан, Остін Вер, Джозеф Айсман, Яффі Ван і Джастін М. . Хоффман, Іоанніс Спанопулос, Джаред Дж. Кроше, Естер Цай, Джозеф Стжалка, Клодін Каттан, Мухаммед А. Алам, Меркьюрі Дж. Канацідіс, Джекі Евен, Жан-Крістоф Бланкон і Адітя Д. Мохті, 22 листопада 2021 року, доступно тут. Нанотехнології природи.
DOI: 10.1038 / s41565-021-01010-2
Співавторами статті є аспіранти Райс Джин Хо, Хао Чжан і Остін Фер, студенти Джозеф Істман і студент по обміну Яффе Ванг, а також співавтор Жан-Крістоф Бланкун, старший науковий співробітник лабораторії Мохіта; Бубакар Траоре, Клодін Каттан з INSA; Реза Асадпур і Мухаммед Алам з Бордо; Джастін Хоффман, Іоанніс Спанопулос і Мерк’юрі Канацідіс з Північного Заходу; Джареда в’яже гачком Лос-Аламос, а Естер Цай – Брукхейвен.
Дослідницький офіс армії, Французький академічний інститут, Національний науковий фонд (20-587, 1724728), Управління військово-морських досліджень (N00014-20-1-2725) та Управління науки Міністерства енергетики (AC02-06CH11357) підтримали дослідження.
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
