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Ultradünne Solarzellen?

31 Dezember, 2021

By hoppt

Ultradünne Solarzellen

Ultradünne Solarzellen?

Ultradünne Solarzellen verbessert: 2D-Perowskit-Verbindungen haben die geeigneten Materialien, um sperrige Produkte herauszufordern.

Ingenieure der Rice University haben neue Maßstäbe bei der Entwicklung atomarer dünner Solarzellen aus Halbleiter-Perowskiten gesetzt, ihre Effizienz gesteigert und gleichzeitig ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber der Umwelt bewahrt.

Das Aditya Mohite-Labor der George R. Brown School of Engineering der Rice University fand heraus, dass Sonnenlicht den Raum zwischen den Atomschichten in einem zweidimensionalen Perowskit verkleinert, genug, um die photovoltaische Effizienz des Materials um bis zu 18 % zu erhöhen, was ein häufiger Fortschritt ist . Auf dem Gebiet wurde ein fantastischer Sprung gemacht und in Prozent gemessen.

„In 10 Jahren ist die Effizienz von Perowskit von etwa 3 % auf über 25 % gestiegen“, sagte Mohite. „Bei anderen Halbleitern wird es etwa 60 Jahre dauern, bis sie fertig sind. Deshalb sind wir so gespannt.“

Perowskit ist eine Verbindung mit einem kubischen Gitter und ein effizienter Lichtkollektor. Ihr Potenzial ist seit vielen Jahren bekannt, aber sie haben ein Problem: Sie können Sonnenlicht in Energie umwandeln, aber Sonnenlicht und Feuchtigkeit können sie abbauen.

"Die Solarzellentechnologie wird voraussichtlich 20 bis 25 Jahre halten", sagte Mohite, außerordentlicher Professor für chemische und biomolekulare Technik sowie Materialwissenschaft und Nanotechnik. „Wir arbeiten seit vielen Jahren und verwenden weiterhin große Perowskite, die sehr effektiv, aber nicht sehr stabil sind. Im Gegensatz dazu haben zweidimensionale Perowskite eine hervorragende Stabilität, sind aber nicht effizient genug, um auf dem Dach platziert zu werden.

"Das größte Problem besteht darin, sie effizient zu machen, ohne die Stabilität zu beeinträchtigen."
Die Rice-Ingenieure und ihre Mitarbeiter von der Purdue University und der Northwestern University, Los Alamos, Argonne und Brookhaven vom National Laboratory des US-Energieministeriums und dem Institute of Electronics and Digital Technology (INSA) in Rennes, Frankreich, und ihre Mitarbeiter fanden heraus, dass In Bei einigen zweidimensionalen Perowskiten schrumpft das Sonnenlicht effektiv den Abstand zwischen den Atomen und erhöht ihre Fähigkeit, elektrischen Strom zu transportieren.

"Wir haben festgestellt, dass Sie das Material beim Zünden wie einen Schwamm zusammendrücken und die Schichten zusammenziehen, um die Ladungsübertragung in diese Richtung zu verbessern", sagte Mocht. Die Forscher fanden heraus, dass das Platzieren einer Schicht aus organischen Kationen zwischen dem Jodid oben und dem Blei unten die Wechselwirkung zwischen den Schichten verbessern kann.

„Diese Arbeit ist von großer Bedeutung für die Untersuchung von angeregten Zuständen und Quasiteilchen, bei denen sich eine Schicht positiver Ladung auf der anderen und die negative Ladung auf der anderen befindet und sie miteinander sprechen können“, sagte Mocht. „Diese werden Exzitonen genannt und können einzigartige Eigenschaften haben.

„Dieser Effekt ermöglicht es uns, diese grundlegenden Licht-Materie-Wechselwirkungen zu verstehen und anzupassen, ohne komplexe Heterostrukturen wie gestapelte 2D-Übergangsmetalldichalkogenide zu erzeugen“, sagte er.

Kollegen in Frankreich bestätigten das Experiment mit einem Computermodell. Jacky Even, Professor für Physik am INSA, sagte: „Diese Forschung bietet eine einzigartige Gelegenheit, die fortschrittlichste Ab-initio-Simulationstechnologie, Materialforschung unter Verwendung großer nationaler Synchrotronanlagen und In-situ-Charakterisierung von Solarzellen im Betrieb zu kombinieren ." „Diese Arbeit beschreibt erstmals, wie das Sickerphänomen den Ladestrom im Perowskit-Material schlagartig freisetzt.“

Beide Ergebnisse zeigen, dass der zweidimensionale Perowskit nach 10 Minuten Einwirkung des Sonnensimulators bei Sonnenintensität um 0.4 % entlang seiner Länge und etwa 1 % von oben nach unten schrumpft. Sie bewiesen, dass der Effekt innerhalb von 1 Minute unter fünf Sonnenintensitäten sichtbar war.

„Es hört sich nicht nach viel an, aber eine 1-prozentige Verkleinerung des Gitterabstands führt zu einer erheblichen Zunahme des Elektronenflusses“, sagte Li Wenbin, Doktorand in Rice und Co-Hauptautor. „Unsere Forschung zeigt, dass sich die elektronische Leitfähigkeit des Materials verdreifacht hat.“

Gleichzeitig macht die Beschaffenheit des Kristallgitters das Material widerstandsfähig gegen Abbau, selbst wenn es auf 80 Grad Celsius (176 Grad Fahrenheit) erhitzt wird. Die Forscher fanden auch heraus, dass sich das Gitter schnell wieder in seine Standardkonfiguration entspannt, sobald das Licht ausgeschaltet wird.

„Eine der Hauptattraktionen von 2D-Perowskiten ist, dass sie normalerweise organische Atome haben, die als Feuchtigkeitsbarrieren fungieren, thermisch stabil sind und Probleme der Ionenmigration lösen“, sagte Doktorand und Co-Hauptautor Siraj Sidhik. „3D-Perowskite sind anfällig für thermische und lichtbedingte Instabilität, also begannen die Forscher damit, 2D-Schichten auf massive Perowskite zu legen, um zu sehen, ob sie das Beste aus beiden machen könnten.

„Wir denken, lasst uns einfach auf 2D umsteigen und es effizient machen“, sagte er.

Um die Schrumpfung des Materials zu beobachten, nutzte das Team zwei Nutzereinrichtungen des Office of Science des US-Energieministeriums (DOE): die National Synchrotron Light Source II des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums und das Advanced State Laboratory of das Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums. Labor für Photonenquellen (APS).

Der Argonne-Physiker Joe Strzalka, Mitautor der Veröffentlichung, verwendet die ultrahellen Röntgenstrahlen von APS, um kleine Strukturänderungen in Materialien in Echtzeit zu erfassen. Das empfindliche Instrument an der 8-ID-E der APS-Beamline ermöglicht "Betriebs"-Studien, d. h. Studien, die durchgeführt werden, wenn die Ausrüstung kontrollierten Temperatur- oder Umgebungsänderungen unter normalen Betriebsbedingungen ausgesetzt ist. In diesem Fall setzten Strzalka und seine Kollegen das lichtempfindliche Material in der Solarzelle bei konstanter Temperatur simuliertem Sonnenlicht aus und beobachteten winzige Kontraktionen auf atomarer Ebene.

Als Kontrollexperiment hielten Strzalka und seine Co-Autoren den Raum dunkel, erhöhten die Temperatur und beobachteten den gegenteiligen Effekt – die Materialausdehnung. Dies deutet darauf hin, dass das Licht selbst und nicht die Wärme, die es erzeugt, die Transformation verursacht hat.

„Für solche Veränderungen ist es wichtig, operative Forschung zu betreiben“, sagte Strzalka. „So wie Ihr Mechaniker Ihren Motor laufen lassen möchte, um zu sehen, was darin vor sich geht, möchten wir im Wesentlichen ein Video von diesem Umbau machen, nicht einen einzigen Schnappschuss. Einrichtungen wie APS ermöglichen uns dies.“

Strzalka wies darauf hin, dass APS einem erheblichen Upgrade unterzogen wird, um die Helligkeit seiner Röntgenstrahlen um das bis zu 500-fache zu erhöhen. Er sagte, wenn es fertig ist, werden hellere Strahlen und schnellere, schärfere Detektoren die Fähigkeit der Wissenschaftler erhöhen, diese Veränderungen mit größerer Empfindlichkeit zu erkennen.

Dies kann dem Rice-Team helfen, das Material für eine bessere Leistung anzupassen. "Wir entwerfen Kationen und Grenzflächen, um Wirkungsgrade von mehr als 20 % zu erreichen", sagte Sidhik. „Dies wird alles auf dem Perowskit-Gebiet verändern, denn dann werden die Leute anfangen, 2D-Perowskit für 2D-Perowskit/Silizium- und 2D/3D-Perowskit-Serien zu verwenden, was die Effizienz auf fast 30 % bringen kann. Dadurch wird seine Kommerzialisierung attraktiv.“

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