Рисовая лаборатория обнаружила, что комплекс перовскита 2D содержит правильные ингредиенты, чтобы бросить вызов более крупным продуктам.
Инженеры Университета Райса установили новый стандарт в разработке солнечных элементов с атомарной толщиной, изготовленных из перовскитных полупроводников, что повысило их эффективность и при этом оставалось безвредным для окружающей среды.
Лаборатория Адитьи Мохите Инженерной школы Джорджа Брауна в Райсе обнаружила, что солнечный свет сам сжимает пространство между атомными слоями в двумерном перовските в достаточной степени, чтобы повысить эффективность фотоэлектрических материалов до 18%, что является ошеломляющим шагом в области, где прогресс часто измеряется в долях процента.
«За 10 лет эффективность перовскита выросла с 3% до более чем 25%», — сказал Мохети. Другим полупроводникам потребовалось около 60 лет, чтобы достичь этого. Вот почему мы так взволнованы. «
Поиск появляется в Природные нанотехнологии.
Перовскиты представляют собой соединения с кубической кристаллической решеткой и являются высокоэффективными оптическими сборщиками. Об их потенциале известно уже много лет, но они представляют собой дилемму: они хорошо преобразуют солнечный свет в энергию, но солнечный свет и влага их разлагают.
«Ожидается, что технология солнечных элементов будет работать в течение 20-25 лет», — сказал Мохит, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии, материаловедения и наноинженерии. «Мы работали много лет и продолжаем работать с большим количеством перовскитов, которые являются высокоэффективными, но нестабильными. Напротив, 2D-перовскиты обладают огромной стабильностью, но недостаточно эффективны для размещения на поверхности.
«Большой вопрос состоял в том, чтобы сделать его эффективным без ущерба для стабильности», — сказал он.
Инженеры и сотрудники Райс из Purdue и Северо-Западного университетов, Национальных лабораторий Лос-Аламоса, Аргонна и Брукхейвена Министерства энергетики США и Института электроники и цифровых технологий (INSA) в Ренне, Франция, обнаружили, что в некоторых двумерных перовскитах солнечный свет эффективно сокращается. Расстояние между атомами, улучшающее их способность проводить ток.
«Мы обнаружили, что когда вы зажигаете материал, вы сжимаете его, как губку, и соединяете слои вместе, чтобы улучшить передачу заряда в этом направлении», — сказал Мохит. Исследователи обнаружили наслоение органических катионов между йодидом наверху и улучшение взаимодействия между слоями внизу.
«Эта работа имеет важное значение для изучения возбужденных состояний и квазичастиц, в которых положительный заряд на одном слое и отрицательный заряд на другом могут взаимодействовать друг с другом», — сказал Мохит. «Это так называемые экситоны, которые могут обладать уникальными свойствами.
«Этот эффект дал нам возможность понять и адаптировать эти основные взаимодействия света и вещества без создания сложных гетерогенных структур, таких как двумерные дихалькогениды переходных металлов», — сказал он.
Эксперименты были подтверждены компьютерными моделями коллег из Франции. «Это исследование предоставило уникальную возможность объединить современные методы моделирования, физические исследования с использованием крупномасштабных национальных синхротронных установок и определение характеристик действующих солнечных элементов на месте», — сказал Джеки Эвен, профессор физики INSA. «В статье впервые показано, как явление фильтрации внезапно запускает ток заряда в перовскитном материале».
Оба результата показали, что после 10 минут пребывания под солнечным симулятором с плотностью одного солнца двумерный перовскит сократился на 0,4% в длину и примерно на 1% сверху вниз. Они показали, что эффект можно увидеть на одну минуту ниже интенсивности пятого солнца.
«Кажется, это не так уж и много, но это сокращение на 1% шага решетки приводит к значительному усилению потока электронов», — сказал Венбин Ли, аспирант Райс и соавтор книги. «Наши исследования показывают трехкратное увеличение электронной проводимости материала».
В то же время характер сетки сделал материал менее подверженным повреждениям даже при нагревании до 80 градусов. Цельсия (176 градусов F). Исследователи также обнаружили, что решетка быстро вернулась к своей нормальной форме после выключения света.
«Одно из главных преимуществ двумерных перовскитов заключается в том, что они обычно содержат органические атомы, которые действуют как барьеры для влаги, являются термически стабильными и решают проблемы миграции ионов», — сказал Сирадж Сиддик, аспирант и соавтор. «3D-перовскиты подвержены тепловой и световой нестабильности, поэтому исследователи начали накладывать 2D-слои поверх перовскита, чтобы посмотреть, смогут ли они получить лучшее из двух.
«Мы подумали:« Давайте просто перейдем только к 2D и сделаем его функциональным », — сказал он.
Чтобы отслеживать сжатие материала в действии, команда использовала два пользовательских объекта Управления науки Министерства энергетики США (DOE): Национальный синхротронный источник света II в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики и усовершенствованный источник фотонов. (APS) в Аргоннском национальном министерстве энергетики. Лаборатория.
Аргоннский физик Джо Стрзалка, соавтор статьи, использовал сверхъяркие рентгеновские лучи APS для фиксации небольших структурных изменений в материале в режиме реального времени. Чувствительные инструменты в Beamline 8-ID-E позволяют APS выполнять «оперативные» исследования, то есть те, которые проводятся в то время, когда прибор подвергается контролируемым изменениям температуры или окружающей среды в нормальных рабочих условиях. В этом случае Стржалка и его коллеги экспонировали фотоактивный материал солнечного элемента, чтобы имитировать солнечный свет, сохраняя при этом постоянную температуру, и они наблюдали небольшие сокращения на атомном уровне.
В качестве контрольного эксперимента Стржалка и его коллеги также поддерживали темноту в комнате и повышали температуру, заметив обратный эффект — расширение материала. Это показало, что преобразование вызвал сам свет, а не выделяемое им тепло.
«Для таких изменений важно заниматься оперным этюдом», — сказал Стшалка. «Точно так же, как ваш механик хочет запустить ваш двигатель, чтобы увидеть, что происходит внутри, мы в основном хотим снять видео этой смены, а не единичный снимок. Такие утилиты, как APS, позволяют нам это делать».
Стржалка отметил, что APS находится в процессе серьезной модернизации, которая увеличит яркость рентгеновского излучения до 500 раз. По его словам, после завершения, более яркие лучи и более быстрые и четкие детекторы улучшат способность ученых обнаруживать эти изменения с большей чувствительностью.
Это может помочь команде Rice модифицировать материалы для повышения производительности. «Мы на пути к достижению более 20% эффективности за счет инженерных катионов и интерфейсов», — сказал ваш друг. «Это изменит все в области перовскита, потому что тогда люди начнут использовать перовскит 2D для синонимов перовскита / кремния 2D и перовскита 2D / 3D, что может обеспечить эффективность, близкую к 30%. Это сделает его привлекательным для маркетинга».
Ссылка: «Светоактивированная межслойная усадка в двумерном перовските для высокоэффективных солнечных элементов» Венбин Ли, Сирадж Седдхик, Бубакар Траоре, Реза Асадпур, Джин Хо, Хао Чжан, Остин Вер, Джозеф Эйсманн, Яффи Ван и Джастин М. . Хоффман, Иоаннис Спанопулос, Джаред Дж. Кроше, Эстер Цай, Джозеф Стрзалка, Клодин Каттан, Мухаммед А. Алам, Меркьюри Дж. Канатзидис, Джеки Эвен, Жан-Кристоф Бланкон и Адитья Д. Мохти, 22 ноября 2021 г., доступно здесь. Нанотехнологии природы.
DOI: 10.1038 / s41565-021-01010-2
Соавторами статьи являются аспиранты Райс Джин Хо, Хао Чжан и Остин Фер, студент Джозеф Истман и студентка по обмену Яффе Ван, а также соавтор Жан-Кристоф Бланкун, старший научный сотрудник лаборатории Мохита; Бубакар Траоре, Клодин Каттан из INSA; Реза Асадпур и Мухаммад Алам из Бордо; Джастин Хоффман, Иоаннис Спанопулос и Меркьюри Канатзидис с северо-запада; Джаред связан крючком из Лос-Аламоса, а Эстер Цай — из Брукхейвена.
Исследовательский офис армии, Академический институт Франции, Национальный научный фонд (20-587, 1724728), Управление военно-морских исследований (N00014-20-1-2725) и Управление науки Министерства энергетики (AC02-06CH11357) поддержали исследования.
«Интроверт. Мыслитель. Решатель проблем. Злой специалист по пиву. Склонен к приступам апатии. Эксперт по социальным сетям».
More Stories
Эта потрясающая фотография лица муравья выглядит как кошмар: ScienceAlert
SpaceX запустила 23 спутника Starlink из Флориды (видео и фото)
В то время как ULA изучает аномалию ракеты-носителя Vulcan, она также исследует аэродинамические проблемы.