Qelizat diellore ultra të holla duke përdorur perovskite 2D marrin një nxitje

Inxhinierët e Universitetit Rice kanë arritur një standard të ri në hartimin e qelizave diellore të holla atomike të bëra nga perovskite gjysmëpërçuese, duke rritur efikasitetin e tyre duke ruajtur aftësinë e tyre për t’i bërë ballë mjedisit.

Laboratori i Aditya Mohite i Shkollës së Inxhinierisë George R. Brown të Rice zbuloi se vetë rrezet e diellit kontraktojnë hapësirën midis shtresave atomike në perovskit 2D mjaftueshëm për të përmirësuar efikasitetin fotovoltaik të materialit deri në 18%, një hap mahnitës në një fushë ku progresi është shpesh. matur në fraksione të përqindjes.

“Në 10 vjet, efikasiteti i perovskiteve është rritur nga rreth 3% në mbi 25%,” tha Mohite. “Gjysëmpërçuesve të tjerë u janë dashur rreth 60 vjet për të arritur atje. Kjo është arsyeja pse ne jemi kaq të emocionuar.”

Perovskitet janë komponime që kanë rrjeta kristalore në formë kube dhe janë korrës me efikasitet të lartë të dritës. Potenciali i tyre është i njohur prej vitesh, por ato paraqesin një rebus: Ata janë të mirë në shndërrimin e dritës së diellit në energji, por rrezet e diellit dhe lagështia i degradojnë ato.

“Një teknologji e qelizave diellore pritet të funksionojë për 20 deri në 25 vjet,” tha Mohite, një profesor i asociuar i inxhinierisë kimike dhe biomolekulare dhe i shkencës së materialeve dhe nanoinxhinierisë. “Ne kemi punuar për shumë vite dhe vazhdojmë të punojmë me perovskite me shumicë që janë shumë efikase, por jo aq të qëndrueshme. Në të kundërt, perovskit 2D kanë stabilitet të jashtëzakonshëm, por nuk janë mjaftueshëm efikas për t’u vendosur në çati.

“Çështja e madhe ka qenë t’i bëjmë ato efikase pa kompromentuar stabilitetin,” tha ai.

Inxhinierët e Rice dhe bashkëpunëtorët e tyre në universitetet Purdue dhe Northwestern, laboratorët kombëtarë të Departamentit të Energjisë të SHBA-së, Los Alamos, Argonne dhe Brookhaven dhe Instituti i Elektronikës dhe Teknologjive Dixhitale (INSA) në Rennes, Francë, zbuluan se në disa perovskite 2D, rrezet e diellit në mënyrë efektive tkurren. hapësira ndërmjet atomeve, duke përmirësuar aftësinë e tyre për të mbajtur një rrymë.

“Ne zbulojmë se ndërsa ndezni materialin, ju e shtrydhni atë si një sfungjer dhe i bashkoni shtresat për të rritur transportin e ngarkesës në atë drejtim,” tha Mohite. Studiuesit zbuluan se vendosja e një shtrese kationesh organike midis jodidit në krye dhe plumbit në pjesën e poshtme rriti ndërveprimet midis shtresave.

“Kjo punë ka implikime të rëndësishme për studimin e gjendjeve të ngacmuara dhe kuazigrimcave në të cilat një ngarkesë pozitive shtrihet në njërën shtresë dhe ngarkesa negative qëndron në tjetrën dhe ata mund të flasin me njëri-tjetrin,” tha Mohite. “Këto quhen eksitone, të cilat mund të kenë veti unike.

“Ky efekt na ka dhënë mundësinë për të kuptuar dhe përshtatur këto ndërveprime themelore të lëndës së dritës pa krijuar heterostruktura komplekse si dikalkogjenidet e metaleve të tranzicionit 2D të grumbulluara,” tha ai.

Eksperimentet u konfirmuan nga modelet kompjuterike nga kolegët në Francë. “Ky studim ofroi një mundësi unike për të kombinuar teknikat më të fundit të simulimit ab initio, hetimet materiale duke përdorur objekte kombëtare sinkrotronike në shkallë të gjerë dhe karakterizimet in-situ të qelizave diellore në funksionim,” tha Jacky Even, një profesor i fizikës në INSA. “Letra përshkruan për herë të parë se si një fenomen i depërtimit lëshon papritur rrjedhën e rrymës së ngarkesës në një material perovskite.”

Të dy rezultatet treguan se pas 10 minutash nën një simulator diellor me intensitet një diell, perovskit 2D u tkurrën me 0.4% përgjatë gjatësisë së tyre dhe rreth 1% nga lart poshtë. Ata demonstruan se efekti mund të shihet në 1 minutë nën intensitetin pesë-diell.

“Nuk tingëllon si shumë, por kjo tkurrje prej 1% në ndarjen e rrjetës shkakton një rritje të madhe të rrjedhës së elektroneve,” tha studenti i diplomuar i Rice dhe autori bashkë-drejtues Wenbin Li. “Hulumtimi ynë tregon një rritje të trefishtë në përcjelljen e elektroneve të materialit.”

Në të njëjtën kohë, natyra e grilës e bëri materialin më pak të prirur ndaj degradimit, edhe kur nxehet në 80 gradë Celsius (176 gradë Fahrenheit). Studiuesit zbuluan gjithashtu se rrjeta u relaksua shpejt në konfigurimin e saj normal pasi drita të fiket.

“Një nga tërheqjet kryesore të perovskiteve 2D ishte se ata zakonisht kanë atome organike që veprojnë si barriera ndaj lagështirës, ​​janë termikisht të qëndrueshme dhe zgjidhin problemet e migrimit të joneve,” tha studenti i diplomuar dhe autori bashkë-drejtues Siraj Sidhik. “Perovskit 3D janë të prirur ndaj paqëndrueshmërisë së nxehtësisë dhe dritës, kështu që studiuesit filluan të vendosnin shtresa 2D mbi perovskit me shumicë për të parë nëse ata mund të përfitonin më të mirën nga të dyja.

Për të vëzhguar tkurrjen e materialit në veprim, ekipi përdori dy objekte të përdoruesit të Zyrës së Shkencës të Departamentit të Energjisë (DOE): Burimi Kombëtar i Dritës Synchrotron II në Laboratorin Kombëtar të DOE’s Brookhaven dhe Burimi i Avancuar i Fotonit (APS) në Argonne National të DOE Laboratori.

Fizikani Argonne Joe Strzalka, një bashkëautor në letër, përdori rrezet X ultra të ndritshme të APS për të kapur ndryshimet e vogla strukturore në material në kohë reale. Instrumentet e ndjeshme në linjën rreze 8-ID-E të APS lejojnë studime “operando”, që do të thotë ato të kryera ndërsa pajisja po i nënshtrohet ndryshimeve të kontrolluara të temperaturës ose mjedisit në kushte normale funksionimi. Në këtë rast, Strzalka dhe kolegët e tij ekspozuan materialin fotoaktiv nga qeliza diellore ndaj dritës së simuluar të diellit duke mbajtur temperaturën konstante dhe vëzhguan kontraktime të vogla në nivelin atomik.

Si një eksperiment kontrolli, Strzalka dhe bashkautorët e tij gjithashtu e mbajtën dhomën të errët dhe e ngritën temperaturën, duke vëzhguar efektin e kundërt – një zgjerim të materialit. Kjo tregoi se ishte vetë drita, jo nxehtësia që gjeneronte, ajo që shkaktoi transformimin.

“Për ndryshime si kjo, është e rëndësishme të bësh studime operando,” tha Strzalka. “Në të njëjtën mënyrë që mekaniku juaj dëshiron të vërë në punë motorin tuaj për të parë se çfarë po ndodh brenda tij, ne duam që në thelb të bëjmë një video të këtij transformimi në vend të një fotografie të vetme. Objektet si APS na lejojnë ta bëjmë këtë.”

Strzalka vuri në dukje se APS është në mes të një përmirësimi të madh që do të rrisë ndriçimin e rrezeve X deri në 500 herë. Kur të jetë i plotë, tha ai, rrezet më të shndritshme dhe detektorët më të shpejtë dhe më të mprehtë do të përmirësojnë aftësinë e shkencëtarëve për të dalluar këto ndryshime me edhe më shumë ndjeshmëri.

Kjo mund të ndihmojë ekipin e Rice të shkulë materialet për performancë edhe më të mirë. “Ne jemi në një rrugë për të marrë më shumë se 20% efikasitet duke inxhinieruar kationet dhe ndërfaqet,” tha Sidhik. “Do të ndryshonte gjithçka në fushën e perovskiteve, sepse atëherë njerëzit do të fillonin të përdornin perovskit 2D për tandemet perovskite 2D/silikon dhe 2D/3D, të cilat mund të mundësonin efikasitet që i afrohej 30%. Kjo do ta bënte atë bindës për komercializim.”