Perovskīta savienojuma divdimensiju slānis ir pamats efektīvai saules baterijai, kas atšķirībā no iepriekšējiem perovskītiem var izturēt vides koroziju. Raisa universitātes inženieri ir palielinājuši divdimensiju perovskīta fotoelektrisko efektivitāti pat par 18%. Kredīts: Džefs Fitlovs/Risa universitāte
Rīsu laboratorija atklāj, ka 2D perovskīta komplekss satur pareizās sastāvdaļas, lai apstrīdētu lielākus produktus.
Raisa universitātes inženieri ir noteikuši jaunu standartu atomu plānu pusvadītāju perovskīta saules bateriju projektēšanā, paaugstinot to efektivitāti, vienlaikus saglabājot videi draudzīgumu.
Aditya Mohite laboratorija Džordža Brauna inženierzinātņu skolā Rīsā atklāja, ka saules gaisma pati sašaurina telpu starp atomu slāņiem divdimensiju perovskītā pietiekami, lai uzlabotu fotoelektrisko materiālu efektivitāti līdz pat 18%, kas ir pārsteidzošs lēciens jomā, kurā notiek progress. bieži mēra procentu daļās.
“10 gadu laikā perovskīta efektivitāte ir palielinājusies no aptuveni 3% līdz vairāk nekā 25%, ” sacīja Moheti. Citiem pusvadītājiem bija nepieciešami aptuveni 60 gadi, lai tur nokļūtu. Tāpēc mēs esam tik satraukti. “
Meklēšana tiek parādīta Dabas nanotehnoloģijas.
Perovskīti ir savienojumi ar kubiem līdzīgiem kristāla režģiem un ir ļoti efektīvi optiskie savācēji. To potenciāls ir zināms gadiem ilgi, taču tie rada dilemmu: tie labi pārvērš saules gaismu enerģijā, bet saules gaisma un mitrums tos pasliktina.
“Paredzams, ka saules bateriju tehnoloģija darbosies 20 līdz 25 gadus,” sacīja Mohits, ķīmiskās un biomolekulārās inženierijas, materiālu zinātnes un nanoinženierijas asociētais profesors. “Mēs esam strādājuši daudzus gadus un turpinām strādāt ar lielu daudzumu perovskītu, kas ir ļoti efektīvi, bet nav stabili. Turpretim 2D perovskītiem ir milzīga stabilitāte, taču tie nav pietiekami efektīvi, lai tos novietotu uz virsmas.
“Lielā problēma bija padarīt to efektīvu, neapdraudot stabilitāti,” viņš teica.
Rīsu inženieri un līdzstrādnieki Purdjū un Ziemeļrietumu universitātēs, ASV Enerģētikas departamenta nacionālajās laboratorijās Losalamosā, Argonā un Brūkhavenā un Elektronikas un digitālo tehnoloģiju institūtā (INSA) Rennā, Francijā, atklāja, ka dažos divdimensiju perovskītos saules gaisma. tiek efektīvi samazināts. Attālums starp atomiem, uzlabojot to spēju nest strāvu.
Sirajs Sediks, Rīsu universitātes maģistrants, gatavojas griezt substrātu ar savienojumu, kas sasalst divdimensiju perovskītā. Rīsu inženieri ir atklājuši, ka perovskīta displeji ir daudzsološi efektīvām un izturīgām saules baterijām. Kredīts: Džefs Fitlovs/Risa universitāte
“Mēs atklājām, ka, izgaismojot materiālu, jūs to saspiežat kā sūkli un savienojat slāņus, lai uzlabotu lādiņa pārnesi šajā virzienā,” sacīja Mohits. Pētnieki atklāja organisko katjonu slāņošanos starp jodīdu augšpusē un uzlabojot mijiedarbību starp slāņiem apakšā.
“Šim darbam ir svarīga ietekme uz ierosināto stāvokļu un kvazidaļiņu izpēti, kurās pozitīvs lādiņš vienā slānī un negatīvs lādiņš otrā var sarunāties viens ar otru,” sacīja Mohits. “Tos sauc par eksitoniem, kuriem var būt unikālas īpašības.
“Šis efekts ir devis mums iespēju izprast un pielāgot šīs pamata gaismas vielas mijiedarbības, neradot sarežģītas neviendabīgas struktūras, piemēram, divdimensiju pārejas metālu dikalkogenīdus,” viņš teica.
Eksperimentus ar datormodeļiem apstiprināja kolēģi Francijā. “Šis pētījums sniedza unikālu iespēju apvienot vismodernākās simulācijas metodes, fiziskus pētījumus, izmantojot liela mēroga valsts sinhrotronu iekārtas, un ekspluatācijas saules bateriju in situ raksturojumus,” sacīja INSA fizikas profesors Džekijs Evens. “Papīrs pirmo reizi parāda, kā filtrācijas parādība pēkšņi izraisa lādiņa strāvas plūsmu perovskīta materiālā.”
Wenbin Li, Rīsa universitātes absolvents, sagatavo 2-D perovskīta saules bateriju testēšanai saules simulatorā. Rīsu inženieri ir palielinājuši 2D perovskīta šūnu efektivitāti, vienlaikus saglabājot to izturību. Kredīts: Džefs Fitlovs/Risa universitāte
Abi rezultāti parādīja, ka pēc 10 minūtēm zem saules simulatora ar vienas saules blīvumu divdimensiju perovskīts saruka par 0,4% garumā un apmēram 1% no augšas uz leju. Viņi parādīja, ka efektu var redzēt vienā minūtē zem piektās saules intensitātes.
“Tas neizskatās daudz, bet šī 1% saraušanās režģa atstatumā ievērojami uzlabo elektronu plūsmu,” sacīja Venbins Lī, Raisa absolvents un līdzautors. “Mūsu pētījumi liecina, ka materiāla elektroniskā vadītspēja trīskāršojas.”
Tajā pašā laikā sieta raksturs padarīja materiālu mazāk jutīgu pret bojājumiem, pat ja tas tika uzkarsēts līdz 80 grādiem Celsija (176 grādi F). Pētnieki arī atklāja, ka režģis ātri atslāba atpakaļ savā parastajā formā, tiklīdz gaisma tika izslēgta.
“Viena no galvenajām 2D perovskīta pievilcībām ir tā, ka tie parasti satur organiskus atomus, kas darbojas kā mitruma barjeras, ir termiski stabili un atrisina jonu migrācijas problēmas,” sacīja Sirajs Siddiks, absolvents un līdzautors. “3D perovskīti ir pakļauti siltuma un gaismas nestabilitātei, tāpēc pētnieki sāka uzklāt 2D slāņus virs perovskīta, lai noskaidrotu, vai tie var iegūt labāko no abiem.
“Mēs domājām: “Izmantosim tikai 2D un padarīsim to funkcionālu,” viņš teica.
Raisa universitātes absolvents Venbins Lī, ķīmijas un biomolekulārais inženieris Aditya Mohit un absolvents Siraj Sidhik vadīja projektu, lai ražotu divdimensiju pastiprinātu perovskītu efektīvām saules baterijām. Kredīts: Džefs Fitlovs/Risa universitāte
Lai uzraudzītu materiāla saraušanos darbībā, komanda izmantoja divas ASV Enerģētikas departamenta (DOE) Zinātnes biroja (DOE) Zinātnes biroja lietotāju iekārtas: Nacionālo sinhrotronu gaismas avotu II Enerģētikas departamenta Brūkhavenas Nacionālajā laboratorijā un uzlaboto fotonu avotu. (APS) Enerģētikas departamentā Argonne National. Lab.
Argonnes fiziķis Džo Strzalka, papīra līdzautors, izmantoja APS īpaši spilgtus rentgena starus, lai reāllaikā fiksētu nelielas materiāla struktūras izmaiņas. Sensitīvie instrumenti Beamline 8-ID-E ļauj APS veikt “operando” pētījumus, tas ir, tos, kas tiek veikti, kamēr instrumentam notiek kontrolētas temperatūras vai vides izmaiņas normālos darbības apstākļos. Šajā gadījumā Strzalka un kolēģi atklāja fotoaktīvo materiālu no saules baterijas, lai simulētu saules gaismu, vienlaikus saglabājot nemainīgu temperatūru, un viņi novēroja nelielas kontrakcijas atomu līmenī.
Kā kontroles eksperimentu Strzalka un viņa kolēģi arī uzturēja telpu tumšu un paaugstināja temperatūru, pamanot pretēju efektu – materiāla izplešanos. Tas parādīja, ka transformāciju izraisīja pati gaisma, nevis tās radītais siltums.
“Šādām pārmaiņām ir svarīgi nodarboties ar operas studijām,” sacīja Strzalka. “Tāpat kā jūsu mehāniķis vēlas iedarbināt jūsu dzinēju, lai redzētu, kas notiek iekšpusē, mēs būtībā vēlamies uzņemt video ar šo maiņu, nevis vienu kadru. Utilītas, piemēram, APS, ļauj mums to izdarīt.”
Strzalka atzīmēja, ka APS pašlaik tiek veikts liels jauninājums, kas palielinās rentgenstaru spilgtumu līdz pat 500 reizēm. Pēc viņa teiktā, spilgtāki stari un ātrāki, skaidrāki detektori uzlabos zinātnieku spēju noteikt šīs izmaiņas ar lielāku jutību.
Tas var palīdzēt Rice komandai pārveidot materiālus, lai nodrošinātu labāku veiktspēju. “Mēs esam ceļā, lai, izstrādājot katjonus un saskarnes, iegūtu vairāk nekā 20% efektivitāti,” sacīja jūsu draugs. “Tas mainīs visu perovskīta jomā, jo tad cilvēki sāks lietot 2D perovskītu 2D perovskīta/silīcija un 2D/3D perovskīta sinonīmus, kas var nodrošināt efektivitāti tuvu 30%. Tas padarīs to pievilcīgu mārketingam.”
Atsauce: “Gaismas aktivēta starpslāņa saraušanās divdimensiju perovskītā augstas efektivitātes saules baterijām”, autori Venbins Li, Sirajs Sedhiks, Boubacar Traore, Reza Asadpour, Jin Ho, Hao Zhang, Austin Ver, Joseph Eismann, Yaffee Wang un Justin M . Hofmans, Joannis Spanopuls, Džareds J. Crochet, Estere Tsai, Džozefs Strzalka, Klodīna Katena, Muhameds A. Alams, Merkūrijs J. Kanacidis, Džekijs Evens, Žans Kristofs Blankons un Aditja D. Mohti, 2021. gada 22. novembris, pieejams šeit. Dabas nanotehnoloģijas.
DOI: 10.1038/s41565-021-01010-2
Darba līdzautori ir Raisa absolventi Jin Ho, Hao Zhang un Austin Fehr, bakalaura grāds Džozefs Īstmens un apmaiņas students Yaffe Wang un līdzautors Jean-Christophe Blancun, vecākais zinātnieks Mohit laboratorijā; Boubacar Traore, Klodīna Katena no INSA; Reza Asadpour un Muhammad Alam no Bordo; Džastins Hofmans, Ioannis Spanopulos un Merkūrijs Kanacidis no ziemeļrietumiem; Džaredu tamborējis Los Alamos, bet Esteri Tsai – Brūkhavena.
Armijas pētniecības birojs, Francijas Akadēmiskais institūts, Nacionālais zinātnes fonds (20-587, 1724728), Jūras spēku pētniecības birojs (N00014-20-1-2725) un Enerģētikas departamenta Zinātnes birojs (AC02-06CH11357) atbalstīja pētniecību.
