תאים סולאריים דקים במיוחד?

תאים סולאריים דקים במיוחד?

תאים סולאריים דקים במיוחד משופרים: לתרכובות פרוסקיט דו-ממדיות יש את החומרים המתאימים לאתגר מוצרים מגושמים.

מהנדסים מאוניברסיטת רייס השיגו אמות מידה חדשות בתכנון תאים סולאריים דקים בקנה מידה אטומי העשויים מפרוסקיטים מוליכים למחצה, תוך הגברת היעילות שלהם תוך שמירה על יכולתם לעמוד בסביבה.

מעבדת Aditya Mohite מבית הספר להנדסה ג'ורג' אר בראון באוניברסיטת רייס מצאה שאור השמש מכווץ את החלל בין השכבות האטומיות בפרוסקיט דו מימדי, מספיק כדי להגביר את היעילות הפוטו-וולטאית של החומר ב-18%, שזו התקדמות תכופה. . זינוק פנטסטי הושג בשטח ונמדד באחוזים.

"בתוך 10 שנים, היעילות של פרובסקיט זינקה מכ-3% ליותר מ-25%", אמר מוהיט. "למוליכים למחצה אחרים ייקח בערך 60 שנה להשיג. זו הסיבה שאנחנו כל כך נרגשים".

פרובסקיט הוא תרכובת בעלת סריג מעוקב ומהווה קולט אור יעיל. הפוטנציאל שלהם ידוע כבר שנים רבות, אבל יש להם בעיה: הם יכולים להמיר את אור השמש לאנרגיה, אבל אור השמש והלחות יכולים לבזות אותם.

"טכנולוגיית תאים סולאריים צפויה להימשך 20 עד 25 שנה", אמר מוהיט, פרופסור חבר להנדסה כימית וביו-מולקולרית ולמדעי החומרים והנדסת ננו. "אנחנו עובדים כבר שנים רבות וממשיכים להשתמש בפרוסקיטים גדולים שהם מאוד יעילים אבל לא מאוד יציבים. לעומת זאת, לפרובסקיטים דו מימדיים יש יציבות מצוינת אבל הם לא מספיק יעילים להנחתם על הגג.

"הבעיה הגדולה ביותר היא להפוך אותם ליעילים מבלי לפגוע ביציבות".
מהנדסי רייס ומשתפי הפעולה שלהם מאוניברסיטת פרדו ומאוניברסיטת נורת'ווסטרן, לוס אלמוס, ארגון וברוקהייבן מהמעבדה הלאומית של מחלקת האנרגיה של ארה"ב, ומהמכון לאלקטרוניקה וטכנולוגיה דיגיטלית (INSA) ברן, צרפת, ושותפי הפעולה שלהם מצאו כי ב- כמה פרוסקיטים דו-ממדיים, אור השמש מכווץ ביעילות את החלל בין האטומים, ומגביר את יכולתם לשאת זרם חשמלי.

"מצאנו שכאשר אתה מצית את החומר, אתה לוחץ אותו כמו ספוג ואוסף את השכבות יחד כדי לשפר את העברת המטען בכיוון הזה", אמר מוכט. החוקרים מצאו כי הנחת שכבה של קטיונים אורגניים בין היודיד בחלק העליון והעופרת בתחתית יכולה לשפר את האינטראקציה בין השכבות.

"לעבודה זו יש משמעות רבה לחקר מצבים נרגשים וקוואזי-חלקיקים, כאשר שכבה אחת של מטען חיובי נמצאת בצד השני, והמטען השלילי נמצא בצד השני, והם יכולים לדבר אחד עם השני", אמר מוכט. "אלה נקראים אקסיטונים, ועשויים להיות להם תכונות ייחודיות.

"אפקט זה מאפשר לנו להבין ולהתאים את אינטראקציות האור-חומר הבסיסיות הללו מבלי ליצור מבנים הטרו-מבנים מורכבים כגון דיכאלקוגנידים מתכת מעבר דו-ממדיים מוערמים," אמר.

עמיתים בצרפת אישרו את הניסוי עם מודל ממוחשב. ג'קי אבן, פרופסור לפיזיקה ב-INSA, אמר: "מחקר זה מספק הזדמנות ייחודית לשלב את טכנולוגיית הדמיית ab initio המתקדמת ביותר, מחקר חומרים תוך שימוש במתקני סינכרוטרונים לאומיים בקנה מידה גדול, ואפיון במקום של תאים סולאריים בפעולה. שלב ." "מאמר זה מתאר לראשונה כיצד תופעת החלחול משחררת לפתע את זרם הטעינה בחומר הפרובסקיט".

שתי התוצאות מראות כי לאחר 10 דקות של חשיפה לסימולטור השמש בעוצמת שמש, הפרובסקיט הדו-ממדי מתכווץ ב-0.4% לאורכו וכ-1% מלמעלה למטה. הם הוכיחו שניתן לראות את ההשפעה תוך דקה אחת תחת חמש עוצמות שמש.

"זה לא נשמע כמו הרבה, אבל הצטמקות של 1% של מרווח הסריג יגרום לעלייה משמעותית בזרימת האלקטרונים", אמרה לי וונבין, סטודנטית לתואר שני ברייס ומחברת ראשית. "המחקר שלנו מראה שההולכה האלקטרונית של החומר גדלה פי שלושה".

יחד עם זאת, אופיו של סריג הקריסטל הופך את החומר לעמיד בפני השפלה, גם כשהוא מחומם ל-80 מעלות צלזיוס (176 מעלות פרנהייט). החוקרים גם גילו שהסריג נרגע במהירות בחזרה לתצורה הסטנדרטית שלו ברגע שהאורות מכבים.

"אחת האטרקציות העיקריות של פרוסקיטים דו-ממדיים היא שבדרך כלל יש להם אטומים אורגניים הפועלים כמחסומי לחות, יציבים תרמית ופותרים בעיות של נדידת יונים", אמר סטודנט לתואר שני וסופר מוביל סיראג' סידהיק. "פרוסקיטים תלת מימדיים נוטים לאי יציבות תרמית וקלה, אז חוקרים החלו לשים שכבות דו-ממדיות על גבי פרוסקיטים מסיביים כדי לראות אם הם יכולים להפיק את המרב משניהם.

"אנחנו חושבים, בואו פשוט נעבור ל-2D ונהפוך אותו ליעיל", אמר.

כדי לצפות בהתכווצות החומר, הצוות השתמש בשני מתקני משתמש של משרד המדע של משרד האנרגיה של ארה"ב (DOE): מקור האור הלאומי סינכרוטרון II של המעבדה הלאומית ברוקהייבן של משרד האנרגיה האמריקאי והמעבדה הממלכתית המתקדמת של המעבדה הלאומית Argonne של משרד האנרגיה האמריקאי. מעבדת מקור פוטון (APS).

הפיזיקאי של ארגון ג'ו סטרזלקה, מחבר המשותף של המאמר, משתמש בקרני הרנטגן הבהירות במיוחד של APS כדי ללכוד שינויים מבניים קטנים בחומרים בזמן אמת. המכשיר הרגיש ב-8-ID-E של קו קרן ה-APS מאפשר מחקרים "מבצעיים", כלומר מחקרים שנערכים כאשר הציוד עובר שינויים מבוקרים בטמפרטורה או בסביבה בתנאי הפעלה רגילים. במקרה זה, סטרזלקה ועמיתיו חשפו את החומר הרגיש לאור בתא השמש לאור שמש מדומה תוך שמירה על הטמפרטורה קבועה וצפו בהתכווצויות זעירות ברמה האטומית.

כניסוי בקרה, שטרזלקה ושותפיו שמרו על החדר חשוך, הגבירו את הטמפרטורה וצפו בהשפעה הפוכה - התפשטות החומר. זה מצביע על כך שהאור עצמו, לא החום שהוא מייצר, גרם לשינוי.

"לשינויים כאלה, חשוב לבצע מחקר מבצעי", אמר שטרזלקה. "בדיוק כמו שהמוסכניק שלך רוצה להפעיל את המנוע שלך כדי לראות מה קורה בו, אנחנו בעצם רוצים לצלם סרטון של ההמרה הזו, לא תמונה אחת. מתקנים כמו APS מאפשרים לנו לעשות זאת."

Strzalka ציין כי APS עוברת שדרוג משמעותי כדי להגביר את בהירות קרני הרנטגן שלה עד פי 500. הוא אמר שכאשר זה יושלם, אלומות בהירות יותר וגלאים מהירים וחדים יותר יגבירו את יכולתם של המדענים לזהות את השינויים הללו ברגישות רבה יותר.

זה יכול לעזור לצוות רייס להתאים את החומר לביצועים טובים יותר. "אנחנו מתכננים קטיונים וממשקים כדי להשיג יעילות של יותר מ-20%", אמר סידהיק. "זה ישנה הכל בתחום הפרובסקיט כי אז אנשים יתחילו להשתמש ב-2D perovskite עבור סדרות 2D/2D perovskite ו-3D/30D perovskite, מה שיכול להביא את היעילות קרוב ל-XNUMX%. זה יהפוך את המסחור שלה לאטרקטיבי".