Ultra-maldikaj sunĉeloj?

Ultra-maldikaj sunĉeloj?

Ultra-maldikaj sunaj ĉeloj pliboniĝis: 2D perovskitaj kunmetaĵoj havas la taŭgajn materialojn por defii volumenajn produktojn.

Inĝenieroj ĉe Universitato Rice atingis novajn komparnormojn en projektado de maldikaj sunĉeloj de atomskalaj el duonkonduktaĵoj perovskitoj, pliigante sian efikecon konservante sian kapablon elteni la medion.

La laboratorio Aditya Mohite de la Lernejo de Inĝenieristiko George R Brown de Rice University trovis, ke sunlumo ŝrumpas la spacon inter la atomaj tavoloj en dudimensia perovskito, sufiĉe por pliigi la fotovoltaecan efikecon de la materialo je eĉ 18%, kio estas ofta progreso. . Fantazia salto estis atingita sur la kampo kaj mezurita en procentoj.

"En 10 jaroj, la efikeco de perovskito ŝvebis de ĉirkaŭ 3% al pli ol 25%," diris Mohite. "Aliaj duonkonduktaĵoj daŭros ĉirkaŭ 60 jarojn por atingi. Tial ni estas tiel ekscititaj."

Perovskito estas kunmetaĵo kun kuba krado kaj estas efika lumkolektilo. Ilia potencialo estas konata de multaj jaroj, sed ili havas problemon: Ili povas konverti sunlumon en energion, sed sunlumo kaj humideco povas degradi ilin.

"Suna ĉela teknologio estas atendita daŭros 20 ĝis 25 jarojn," diris Mohite, asociita profesoro pri kemia kaj biomolekula inĝenierado kaj materiala scienco kaj nanoinĝenierado. "Ni laboras dum multaj jaroj kaj daŭre uzas grandajn perovskitojn kiuj estas tre efikaj sed ne tre stabilaj. Kontraste, dudimensiaj perovskitoj havas bonegan stabilecon sed ne estas sufiĉe efikaj por esti metitaj sur la tegmenton.

"La plej granda problemo estas igi ilin efikaj sen kompromiti stabilecon."
La Rice-inĝenieroj kaj iliaj kunlaborantoj de Purdue University kaj Northwestern University, Los Alamos, Argonne kaj Brookhaven de la Usona Departemento de Energio Nacia Laboratorio, kaj la Instituto de Elektroniko kaj Cifereca Teknologio (INSA) en Rennes, Francio, kaj iliaj kunlaborantoj trovis ke En iuj dudimensiaj perovskitoj, sunlumo efike ŝrumpas la spacon inter atomoj, pliigante ilian kapablon porti elektran kurenton.

"Ni trovis, ke kiam vi ekbruligas la materialon, vi premas ĝin kiel spongo kaj kunigas la tavolojn por plibonigi la ŝargan translokigon en tiu direkto," diris Mocht. La esploristoj trovis, ke meti tavolon de organikaj katjonoj inter la jodudo sur la supro kaj la plumbo sur la fundo povas plibonigi la interagadon inter la tavoloj.

"Ĉi tiu laboro estas de granda signifo por la studo de ekscititaj statoj kaj kvazaŭpartikloj, kie unu tavolo de pozitiva ŝargo estas sur la alia, kaj la negativa ŝargo estas sur la alia, kaj ili povas paroli unu kun la alia," Mocht diris. "Tiuj estas nomitaj ekscitonoj, kaj ili povas havi unikajn trajtojn.

"Ĉi tiu efiko permesas al ni kompreni kaj ĝustigi ĉi tiujn bazajn lum-materiajn interagojn sen krei kompleksajn heterostrukturojn kiel stakigitaj 2D-transirmetalaj dikalkogenidoj," li diris.

Kolegoj en Francio konfirmis la eksperimenton per komputila modelo. Jacky Even, Profesoro pri Fiziko ĉe INSA, diris: "Ĉi tiu esplorado donas unikan ŝancon kombini la plej altnivelan ab initio-simuladteknologion, materialan esploradon uzante grandskalajn naciajn sinkrotroninstalaĵojn, kaj surloke karakterizadon de sunĉeloj en funkciado. Kombinu. ." "Ĉi tiu artikolo priskribas unuafoje kiel la fenomeno de trafluo subite liberigas la ŝargan fluon en la perovskita materialo."

Ambaŭ rezultoj montras, ke post 10 minutoj da eksponiĝo al la suna simulilo je suna intenseco, la dudimensia perovskito ŝrumpas je 0.4% laŭ sia longo kaj proksimume 1% de supre ĝis malsupre. Ili pruvis, ke la efiko povus esti vidita ene de 1 minuto sub kvin sunaj intensecoj.

"Ĝi ne ŝajnas multe, sed 1% ŝrumpado de la krada interspaco kaŭzos grandan kreskon de elektrona fluo," diris Li Wenbin, diplomiĝinta studento en Rice kaj kunĉefa aŭtoro. "Nia esplorado montras, ke la elektronika kondukado de la materialo triobliĝis."

Samtempe, la naturo de la kristala krado faras la materialon imuna al degenero, eĉ kiam varmigita ĝis 80 celsiusgradoj (176 gradoj Fahrenheit). La esploristoj ankaŭ trovis, ke la krado rapide malstreĉiĝas al sia norma agordo post kiam la lumoj estas malŝaltitaj.

"Unu el la ĉefaj altiroj de 2D perovskitoj estas, ke ili kutime havas organikajn atomojn, kiuj funkcias kiel humidecaj baroj, estas termike stabilaj kaj solvas problemojn pri jonmigrado," diris diplomiĝinta studento kaj kunĉefa aŭtoro Siraj Sidhik. "3D perovskitoj estas inklinaj al termika kaj malpeza malstabileco, do esploristoj komencis meti 2D tavolojn sur masivajn perovskitojn por vidi ĉu ili povas utiligi ambaŭ.

"Ni pensas, ni simple ŝanĝu al 2D kaj efikigu ĝin," li diris.

Por observi la ŝrumpadon de la materialo, la teamo uzis du uzantinstalaĵojn de la Oficejo de Scienco de la Usona Departemento pri Energio (DOE): la Nacia Sinkrotrona Lumfonto II de la Brookhaven Nacia Laboratorio de la Usona Departemento pri Energio kaj la Altnivela Ŝtata Laboratorio de la Argonne Nacia Laboratorio de la Usona Departemento de Energio. Laboratorio de Photon Source (APS).

Argonne-fizikisto Joe Strzalka, la kunaŭtoro de la papero, uzas la ultra-brilaj Rentgenradioj de APS por kapti malgrandajn strukturajn ŝanĝojn en materialoj en reala tempo. La sentema instrumento ĉe la 8-ID-E de la APS-radiolinio permesas "funkciajn" studojn, kio signifas studojn faritajn kiam la ekipaĵo spertas kontrolitajn ŝanĝojn en temperaturo aŭ medio sub normalaj operaciaj kondiĉoj. En ĉi tiu kazo, Strzalka kaj liaj kolegoj elmontris la fotosenteman materialon en la sunĉelo al ŝajniga sunlumo konservante la temperaturon konstanta kaj observis etajn kuntiriĝojn ĉe la atomnivelo.

Kiel kontroleksperimento, Strzalka kaj liaj kunaŭtoroj konservis la ĉambron malluma, pliigis la temperaturon, kaj observis la kontraŭan efikon - materia ekspansio. Ĉi tio sugestas ke la lumo mem, ne la varmo kiun ĝi generas, kaŭzis la transformon.

"Por tiaj ŝanĝoj, estas grave fari operacian esploron," diris Strzalka. "Ĝuste kiel via mekanikisto volas funkciigi vian motoron por vidi kio okazas en ĝi, ni esence volas fari videon de ĉi tiu konvertiĝo, ne eĉ unu momentfoton. Instalaĵoj kiel APS permesas al ni fari ĉi tion."

Strzalka atentigis, ke APS spertas signifan ĝisdatigon por pliigi la brilecon de siaj Rentgenradioj ĝis 500 fojojn. Li diris, ke kiam ĝi estos kompletigita, pli helaj traboj kaj pli rapidaj, pli akraj detektiloj pliigos la kapablon de sciencistoj detekti ĉi tiujn ŝanĝojn kun pli granda sentemo.

Ĉi tio povas helpi la teamon de Rice alĝustigi la materialon por pli bona rendimento. "Ni desegnas katjonojn kaj interfacojn por atingi efikecon de pli ol 20%," diris Sidhik. "Ĉi tio ŝanĝos ĉion en la perovskita kampo ĉar tiam homoj komencos uzi 2D perovskiton por 2D perovskito / silicio kaj 2D / 3D perovskita serio, kiuj povas alporti la efikecon proksime al 30%. Ĉi tio faros Ĝia komercigo estas alloga."