Home / Blog / Batterij kennis / Ultradunne zonnecellen?

Ultradunne zonnecellen?

31 dec, 2021

By hoppt

Ultradunne zonnecellen

Ultradunne zonnecellen?

Ultradunne zonnecellen verbeterd: 2D-perovskietverbindingen hebben de geschikte materialen om volumineuze producten uit te dagen.

Ingenieurs van Rice University hebben nieuwe maatstaven bereikt bij het ontwerpen van dunne zonnecellen op atomaire schaal gemaakt van halfgeleider perovskieten, waardoor hun efficiëntie wordt verhoogd terwijl hun vermogen om de omgeving te weerstaan ​​behouden blijft.

Het Aditya Mohite-laboratorium van de George R Brown School of Engineering van Rice University ontdekte dat zonlicht de ruimte tussen de atomaire lagen in een tweedimensionaal perovskiet verkleint, genoeg om de fotovoltaïsche efficiëntie van het materiaal met maar liefst 18% te verhogen, wat een frequente vooruitgang is . Er is een fantastische sprong gemaakt in het veld en gemeten in procenten.

"In 10 jaar tijd is de efficiëntie van perovskiet enorm gestegen van ongeveer 3% tot meer dan 25%", zei Mohite. "Andere halfgeleiders zullen ongeveer 60 jaar nodig hebben om te bereiken. Daarom zijn we zo enthousiast."

Perovskiet is een verbinding met een kubisch rooster en is een efficiënte lichtcollector. Hun potentieel is al vele jaren bekend, maar ze hebben een probleem: ze kunnen zonlicht omzetten in energie, maar zonlicht en vocht kunnen ze afbreken.

"Zonneceltechnologie zal naar verwachting 20 tot 25 jaar meegaan", zegt Mohite, universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering en materiaalkunde en nano-engineering. "We werken al vele jaren en blijven grote perovskieten gebruiken die zeer effectief maar niet erg stabiel zijn. Tweedimensionale perovskieten daarentegen hebben een uitstekende stabiliteit, maar zijn niet efficiënt genoeg om op het dak te worden geplaatst.

"Het grootste probleem is om ze efficiënt te maken zonder de stabiliteit in gevaar te brengen."
De Rice-ingenieurs en hun medewerkers van Purdue University en Northwestern University, Los Alamos, Argonne en Brookhaven van het Amerikaanse Department of Energy National Laboratory, en het Institute of Electronics and Digital Technology (INSA) in Rennes, Frankrijk, en hun medewerkers ontdekten dat In sommige tweedimensionale perovskieten, verkleint zonlicht effectief de ruimte tussen atomen, waardoor hun vermogen om elektrische stroom te geleiden toeneemt.

"We ontdekten dat wanneer je het materiaal ontsteekt, je het als een spons uitknijpt en de lagen samenbrengt om de ladingsoverdracht in die richting te verbeteren, " zei Mocht. De onderzoekers ontdekten dat het plaatsen van een laag organische kationen tussen het jodide bovenaan en het lood onderaan de interactie tussen de lagen kan versterken.

"Dit werk is van groot belang voor de studie van aangeslagen toestanden en quasideeltjes, waarbij de ene laag positieve lading zich op de andere bevindt en de negatieve lading op de andere, en ze kunnen met elkaar praten," zei Mocht. "Dit worden excitonen genoemd en ze kunnen unieke eigenschappen hebben.

"Dit effect stelt ons in staat om deze basisinteracties tussen licht en materie te begrijpen en aan te passen zonder complexe heterostructuren te creëren, zoals gestapelde 2D-overgangsmetaaldichalcogeniden, " zei hij.

Collega's in Frankrijk bevestigden het experiment met een computermodel. Jacky Even, hoogleraar natuurkunde aan INSA, zei: "Dit onderzoek biedt een unieke kans om de meest geavanceerde ab initio-simulatietechnologie, materiaalonderzoek met behulp van grootschalige nationale synchrotronfaciliteiten en in-situ karakterisering van zonnecellen in werking te combineren. Combineren ." "Dit artikel beschrijft voor het eerst hoe het kwelverschijnsel plotseling de laadstroom in het perovskietmateriaal vrijgeeft."

Beide resultaten laten zien dat na 10 minuten blootstelling aan de zonnesimulator bij een zonne-intensiteit, het tweedimensionale perovskiet met 0.4% over de lengte en ongeveer 1% van boven naar beneden krimpt. Ze bewezen dat het effect binnen 1 minuut zichtbaar was onder vijf zonne-intensiteiten.

"Het klinkt niet als veel, maar een krimp van 1% van de roosterafstand zal een aanzienlijke toename van de elektronenstroom veroorzaken", zegt Li Wenbin, een afgestudeerde student in Rice en co-hoofdauteur. "Ons onderzoek toont aan dat de elektronische geleiding van het materiaal verdrievoudigd is."

Tegelijkertijd zorgt de aard van het kristalrooster ervoor dat het materiaal bestand is tegen degradatie, zelfs bij verhitting tot 80 graden Celsius (176 graden Fahrenheit). De onderzoekers ontdekten ook dat het rooster snel ontspant naar zijn standaardconfiguratie zodra de lichten zijn uitgeschakeld.

"Een van de belangrijkste attracties van 2D-perovskieten is dat ze meestal organische atomen hebben die fungeren als vochtbarrières, thermisch stabiel zijn en ionenmigratieproblemen oplossen", zegt afgestudeerde student en co-hoofdauteur Siraj Sidhik. "3D-perovskieten zijn vatbaar voor thermische en lichtinstabiliteit, dus begonnen onderzoekers 2D-lagen bovenop massieve perovskieten te plaatsen om te zien of ze het beste uit beide konden halen.

"We denken, laten we gewoon overschakelen naar 2D en het efficiënt maken", zei hij.

Om de krimp van het materiaal te observeren, gebruikte het team twee gebruikersfaciliteiten van het US Department of Energy (DOE) Office of Science: de National Synchrotron Light Source II van het Brookhaven National Laboratory van het US Department of Energy en het Advanced State Laboratory of het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie. Photon Source (APS) Laboratorium.

Argonne-natuurkundige Joe Strzalka, de co-auteur van het artikel, gebruikt de ultraheldere röntgenstralen van APS om kleine structurele veranderingen in materialen in realtime vast te leggen. Het gevoelige instrument aan de 8-ID-E van de APS-bundellijn maakt "operationele" studies mogelijk, wat betekent dat studies worden uitgevoerd wanneer de apparatuur gecontroleerde veranderingen in temperatuur of omgeving onder normale bedrijfsomstandigheden ondergaat. In dit geval stelden Strzalka en zijn collega's het lichtgevoelige materiaal in de zonnecel bloot aan gesimuleerd zonlicht terwijl ze de temperatuur constant hielden en kleine contracties op atomair niveau observeerden.

Als controle-experiment hielden Strzalka en zijn medeauteurs de kamer donker, verhoogden ze de temperatuur en observeerden ze het tegenovergestelde effect: materiaaluitzetting. Dit suggereert dat het licht zelf, niet de warmte die het genereert, de transformatie heeft veroorzaakt.

"Voor dergelijke veranderingen is het belangrijk om operationeel onderzoek te doen," zei Strzalka. "Net zoals je monteur je motor wil laten draaien om te zien wat erin gebeurt, willen we in wezen een video maken van deze conversie, geen enkele momentopname. Faciliteiten zoals APS stellen ons in staat dit te doen."

Strzalka wees erop dat APS een aanzienlijke upgrade ondergaat om de helderheid van zijn röntgenstralen tot 500 keer te verhogen. Hij zei dat wanneer het voltooid is, helderdere stralen en snellere, scherpere detectoren het vermogen van wetenschappers zullen vergroten om deze veranderingen met een grotere gevoeligheid te detecteren.

Dit kan het Rice-team helpen het materiaal aan te passen voor betere prestaties. "We ontwerpen kationen en interfaces om efficiënties van meer dan 20% te bereiken, " zei Sidhik. "Dit zal alles op het gebied van perovskiet veranderen, omdat mensen dan 2D perovskiet gaan gebruiken voor 2D perovskiet/silicium en 2D/3D perovskiet-series, wat de efficiëntie in de buurt van 30% kan brengen. Dit zal de commercialisering ervan aantrekkelijk maken."

sluiten_wit
dichtbij

Schrijf hier een vraag:

antwoord binnen 6 uur, vragen zijn welkom!