Perovskite Bileşik Verimli Güneş Pili

İki boyutlu bir perovskit bileşiği kaplaması, önceki perovskitlerin aksine çevresel aşınma ve yıpranmaya dayanabilecek verimli bir güneş pili için temel oluşturur. Rice Üniversitesi’ndeki mühendisler, 2D perovskitlerin fotovoltaik verimliliğini %18’e kadar artırdı. Kredi: Jeff Fitlow/Rice Üniversitesi

Pirinç laboratuvarı, 2D perovskit bileşiğinin daha hacimli ürünlere meydan okumak için doğru malzemeye sahip olduğunu buldu.

Rice Üniversitesi mühendisleri, yarı iletken perovskitlerden yapılmış atomik olarak ince güneş pillerinin tasarımında, çevreye karşı durma yeteneklerini korurken verimliliklerini artıran yeni bir ölçüt elde ettiler.

Rice’ın George R. Brown Mühendislik Okulu’ndan Aditya Mohite’in laboratuvarı, güneş ışığının kendisinin 2D perovskitlerde atomik katmanlar arasındaki boşluğu, malzemenin fotovoltaik verimliliğini %18’e kadar artırmaya yetecek kadar daralttığını keşfetti ki bu, ilerlemenin sıklıkla olduğu bir alanda şaşırtıcı bir sıçramadır. yüzdelik kesirlerle ölçülür.

Mohite, “10 yılda, perovskitlerin verimliliği yaklaşık %3’ten %25’in üzerine fırladı” dedi. “Diğer yarı iletkenlerin oraya ulaşması yaklaşık 60 yıl aldı. Bu yüzden çok heyecanlıyız.”

Araştırma şurada görünüyor: Doğa Nanoteknoloji.

Perovskitler, küp benzeri kristal kafeslere sahip olan ve yüksek verimli hafif toplayıcılar olan bileşiklerdir. Potansiyelleri yıllardır biliniyor, ancak bir bilmece sunuyorlar: Güneş ışığını enerjiye dönüştürmekte başarılılar, ancak güneş ışığı ve nem onları bozuyor.

Kimyasal ve biyomoleküler mühendislik ile malzeme bilimi ve nanomühendislik alanlarında doçent olan Mohite, “Güneş pili teknolojisinin 20 ila 25 yıl arasında çalışması bekleniyor” dedi. “Uzun yıllardır çalışıyoruz ve çok verimli ancak o kadar kararlı olmayan toplu perovskitlerle çalışmaya devam ediyoruz. Buna karşılık, 2D perovskitler muazzam bir stabiliteye sahiptir ancak bir çatıya koymak için yeterince verimli değildir.

“En büyük sorun, istikrardan ödün vermeden onları verimli kılmaktı” dedi.

Purdue ve Northwestern üniversiteleri, Los Alamos, Argonne ve Brookhaven ABD Enerji Bakanlığı ulusal laboratuvarları ve Rennes, Fransa’daki Elektronik ve Dijital Teknolojiler Enstitüsü’ndeki (INSA) Rice mühendisleri ve işbirlikçileri, bazı 2D perovskitlerde güneş ışığının etkili bir şekilde küçüldüğünü keşfettiler. atomlar arasındaki boşluk, bir akım taşıma yeteneklerini geliştiriyor.

Spin Coat 2D Perovskit

Rice Üniversitesi yüksek lisans öğrencisi Siraj Sidhik, bir substratı 2D perovskite katılaşan bir bileşikle döndürmeye hazırlanıyor. Pirinç mühendisleri, perovskitin verimli, sağlam güneş pilleri için umut vaat ettiğini buldu. Kredi: Jeff Fitlow/Rice Üniversitesi

Mohite, “Malzemeyi yaktıkça, bir sünger gibi sıktığınızı ve bu yönde yük aktarımını geliştirmek için katmanları bir araya getirdiğinizi görüyoruz.” Dedi. Araştırmacılar, üstte iyodür ve altta kurşun arasına bir organik katyon katmanı yerleştirmeyi, katmanlar arasındaki gelişmiş etkileşimleri buldular.

Mohite, “Bu çalışmanın, bir katmanda pozitif bir yükün ve diğerinde negatif yükün bulunduğu ve birbirleriyle konuşabildikleri heyecanlı durumları ve yarı parçacıkları incelemek için önemli etkileri var.” Dedi. “Bunlara, benzersiz özelliklere sahip olabilen eksitonlar denir.

“Bu etki bize, yığılmış 2D geçiş metali dikalkojenitler gibi karmaşık heteroyapılar yaratmadan bu temel hafif madde etkileşimlerini anlama ve uyarlama fırsatı verdi” dedi.

Deneyler, Fransa’daki meslektaşları tarafından bilgisayar modelleri tarafından doğrulandı. INSA’da fizik profesörü olan Jacky Even, “Bu çalışma, en gelişmiş ab initio simülasyon tekniklerini, büyük ölçekli ulusal senkrotron tesislerini kullanan malzeme araştırmalarını ve çalıştırılan güneş pillerinin yerinde karakterizasyonlarını birleştirmek için eşsiz bir fırsat sundu” dedi. “Kağıt ilk kez bir perkolasyon olgusunun bir perovskite malzemedeki şarj akımı akışını nasıl aniden serbest bıraktığını gösteriyor.”

Test için 2D Perovskite Güneş Pili

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

Her iki sonuç da, bir güneş yoğunluğunda bir güneş simülatörü altında 10 dakika sonra, 2D perovskitlerin uzunlukları boyunca %0.4 ve yukarıdan aşağıya yaklaşık %1 oranında daraldığını gösterdi. Beş güneş yoğunluğu altında 1 dakikada etkinin görülebildiğini gösterdiler.

Rice lisansüstü öğrencisi ve yardımcı yazar Wenbin Li, “Kulağa pek benzemiyor, ancak kafes aralığındaki bu %1’lik daralma elektron akışında büyük bir artışa neden oluyor” dedi. “Araştırmamız, malzemenin elektron iletiminde üç kat artış olduğunu gösteriyor.”

Aynı zamanda, kafesin doğası, malzemeyi 80 dereceye kadar ısıtıldığında bile bozulmaya daha az eğilimli hale getirdi. santigrat (176 derece Fahrenhayt). Araştırmacılar ayrıca, ışık kapatıldığında kafesin hızla normal konfigürasyonuna geri döndüğünü buldular.

Lisansüstü öğrencisi ve yardımcı yazar Siraj Sidhik, “2D perovskitlerin en önemli özelliklerinden biri, genellikle neme engel olan, termal olarak kararlı ve iyon göçü sorunlarını çözen organik atomlara sahip olmalarıydı” dedi. “3D perovskitler, ısı ve ışık dengesizliğine eğilimlidir, bu nedenle araştırmacılar, her ikisinden de en iyi şekilde yararlanabileceklerini görmek için toplu perovskitlerin üzerine 2D katmanlar koymaya başladılar.

“Sadece 2D’ye geçelim ve verimli hale getirelim, diye düşündük” dedi.

Wenbin Li, Aditya Mohite ve Siraj Sidhik

Rice Üniversitesi yüksek lisans öğrencisi Wenbin Li, kimya ve biyomoleküler mühendis Aditya Mohite ve yüksek lisans öğrencisi Siraj Sidhik, verimli güneş pilleri için sertleştirilmiş 2D perovskitler üretme projesini yönetti. Kredi: Jeff Fitlow/Rice Üniversitesi

Ekip, eylem halindeki malzeme daralmasını gözlemlemek için iki ABD Enerji Bakanlığı (DOE) Bilim Ofisi kullanıcı tesisinden yararlandı: DOE’nin Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki Ulusal Synchrotron Işık Kaynağı II ve DOE’nin Argonne Ulusal’daki Gelişmiş Foton Kaynağı (APS). Laboratuvar.

Makalenin ortak yazarlarından Argonne fizikçisi Joe Strzalka, malzemedeki küçük yapısal değişiklikleri gerçek zamanlı olarak yakalamak için APS’nin ultra parlak X-ışınlarını kullandı. APS’nin 8-ID-E ışın hattındaki hassas cihazlar, “operando” çalışmalarına izin verir, yani cihaz normal çalışma koşulları altında sıcaklıkta veya ortamda kontrollü değişiklikler geçirirken yürütülenler. Bu durumda, Strzalka ve meslektaşları, sıcaklığı sabit tutarken güneş pilinden gelen fotoaktif malzemeyi simüle güneş ışığına maruz bıraktılar ve atom seviyesinde küçük kasılmalar gözlemlediler.

Bir kontrol deneyi olarak, Strzalka ve yardımcı yazarları odayı karanlık tuttular ve sıcaklığı yükselttiler, bunun tersi bir etki – malzemenin genişlemesini gözlemlediler. Bu, dönüşüme neden olanın ürettiği ısı değil, ışığın kendisi olduğunu gösterdi.

Strzalka, “Böyle değişiklikler için operando çalışmaları yapmak önemlidir” dedi. “Teknisyeninizin içinde neler olduğunu görmek için motorunuzu çalıştırmak istediği şekilde, biz de tek bir anlık görüntü yerine esasen bu dönüşümün bir videosunu çekmek istiyoruz. APS gibi tesisler bunu yapmamıza izin veriyor.”

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

Bu, Rice ekibinin daha da iyi performans için malzemeleri değiştirmesine yardımcı olabilir. Sidhik, “Katyonları ve arayüzleri tasarlayarak %20’den fazla verimlilik elde etme yolundayız,” dedi. “Perovskit alanındaki her şeyi değiştirecekti, çünkü o zaman insanlar 2D perovskite/silikon ve 2D/3D perovskit tandemleri için 2D perovskitleri kullanmaya başlayacaktı, bu da %30’a yaklaşan verimlilik sağlayabilir. Bu, onu ticarileştirme için zorlayıcı hale getirecektir.”

Referans: Wenbin Li, Siraj Sidhik, Boubacar Traore, Reza Asadpour, Jin Hou, Hao Zhang, Austin Fehr, Joseph Essman, Yafei Wang, Justin M. Hoffman, Ioannis Spanopoulos, Jared J. Crochet, Esther Tsai, Joseph Strzalka, Claudine Katan, Muhammed A. Alam, Mercouri G. Kanatzidis, Jacky Even, Jean-Christophe Blancon ve Aditya D. Mohite, 22 Kasım 2021, Doğa Nanoteknoloji.
DOI: 10.1038 / s41565-021-01010-2

Makalenin ortak yazarları, Rice lisansüstü öğrencileri Jin Hou, Hao Zhang ve Austin Fehr, lisans öğrencisi Joseph Essman, değişim öğrencisi Yafei Wang ve ortak yazar Jean-Christophe Blancon, Mohite laboratuvarında kıdemli bir bilim insanı; Boubacar Traore, INSA’da Claudine Katan; Purdue’den Reza Asadpour ve Muhammed Alam; Northwestern’den Justin Hoffman, Ioannis Spanopoulos ve Mercouri Kanatzidis; Los Alamos’tan Jared Crochet ve Brookhaven’dan Esther Tsai.

Ordu Araştırma Ofisi, Fransa Akademik Enstitüsü, Ulusal Bilim Vakfı (20-587, 1724728), Deniz Araştırmaları Ofisi (N00014-20-1- 2725) ve DOE Bilim Ofisi (AC02-06CH11357) tarafından desteklenmiştir. Araştırma.





#Perovskit #Kullanan #Ultra #İnce #Güneş #Pilleri #Güçleniyor