Pin mặt trời siêu mỏng?

Pin mặt trời siêu mỏng?

Cải tiến pin mặt trời siêu mỏng: Các hợp chất perovskite 2D có vật liệu phù hợp để thách thức các sản phẩm cồng kềnh.

Các kỹ sư tại Đại học Rice đã đạt được những tiêu chuẩn mới trong việc thiết kế pin mặt trời mỏng quy mô nguyên tử làm bằng perovskite bán dẫn, tăng hiệu suất của chúng trong khi vẫn duy trì khả năng chống chọi với môi trường.

Phòng thí nghiệm Aditya Mohite của Trường Kỹ thuật George R Brown thuộc Đại học Rice phát hiện ra rằng ánh sáng mặt trời thu hẹp không gian giữa các lớp nguyên tử trong một perovskite hai chiều, đủ để tăng hiệu suất quang điện của vật liệu lên tới 18%, đây là một tiến bộ thường xuyên. . Một bước nhảy vọt tuyệt vời đã đạt được trong lĩnh vực này và được đo bằng tỷ lệ phần trăm.

Mohite cho biết: “Trong 10 năm, hiệu suất của perovskite đã tăng từ khoảng 3% lên hơn 25%. "Các chất bán dẫn khác sẽ mất khoảng 60 năm để đạt được. Đó là lý do tại sao chúng tôi rất phấn khích."

Perovskite là một hợp chất có mạng tinh thể lập phương và là một chất thu ánh sáng hiệu quả. Tiềm năng của chúng đã được biết đến trong nhiều năm, nhưng chúng có một vấn đề: Chúng có thể chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng, nhưng ánh sáng mặt trời và độ ẩm có thể làm suy giảm chúng.

Mohite, phó giáo sư về kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học và khoa học vật liệu và kỹ thuật nano cho biết: “Công nghệ pin mặt trời dự kiến ​​sẽ tồn tại từ 20 đến 25 năm. "Chúng tôi đã làm việc trong nhiều năm và tiếp tục sử dụng các perovskite lớn rất hiệu quả nhưng không ổn định lắm. Ngược lại, các perovskite hai chiều có độ ổn định tuyệt vời nhưng không đủ hiệu quả để đặt trên mái nhà.

"Vấn đề lớn nhất là làm cho chúng hoạt động hiệu quả mà không ảnh hưởng đến sự ổn định."
Các kỹ sư Rice và các cộng tác viên của họ từ Đại học Purdue và Đại học Northwestern, Los Alamos, Argonne và Brookhaven thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, và Viện Điện tử và Công nghệ Kỹ thuật số (INSA) ở Rennes, Pháp, và các cộng tác viên của họ nhận thấy rằng một số perovskite hai chiều, ánh sáng mặt trời thu hẹp không gian giữa các nguyên tử một cách hiệu quả, làm tăng khả năng mang dòng điện của chúng.

Mocht cho biết: “Chúng tôi phát hiện ra rằng khi bạn đốt cháy vật liệu, bạn bóp nó như một miếng bọt biển và tập hợp các lớp lại với nhau để tăng cường sự truyền điện tích theo hướng đó. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng việc đặt một lớp cation hữu cơ giữa iốt ở trên cùng và chì ở dưới cùng có thể tăng cường sự tương tác giữa các lớp.

Mocht nói: “Công trình này có ý nghĩa to lớn đối với việc nghiên cứu các trạng thái kích thích và các quasiparte, nơi một lớp điện tích dương nằm trên một lớp điện tích âm và chúng có thể nói chuyện với nhau. "Chúng được gọi là exciton, và chúng có thể có những đặc tính riêng biệt.

Ông nói: “Hiệu ứng này cho phép chúng tôi hiểu và điều chỉnh các tương tác vật chất ánh sáng cơ bản này mà không tạo ra các cấu trúc dị phức tạp như các dichalcogenides kim loại chuyển tiếp 2D xếp chồng lên nhau.

Các đồng nghiệp ở Pháp đã xác nhận cuộc thử nghiệm với một mô hình máy tính. Jacky Even, Giáo sư Vật lý tại INSA, cho biết: "Nghiên cứu này mang đến một cơ hội duy nhất để kết hợp công nghệ mô phỏng ab Initio tiên tiến nhất, nghiên cứu vật liệu sử dụng các cơ sở synctron quốc gia quy mô lớn và đặc tính tại chỗ của các tế bào năng lượng mặt trời đang hoạt động. Kết hợp . " "Bài báo này lần đầu tiên mô tả hiện tượng thấm đột ngột giải phóng dòng điện nạp trong vật liệu perovskite như thế nào."

Cả hai kết quả đều cho thấy sau 10 phút tiếp xúc với bộ mô phỏng năng lượng mặt trời ở cường độ mặt trời, perovskite hai chiều co lại 0.4% dọc theo chiều dài và khoảng 1% từ trên xuống dưới. Họ đã chứng minh rằng hiệu ứng có thể được nhìn thấy trong vòng 1 phút dưới năm cường độ mặt trời.

Li Wenbin, một nghiên cứu sinh tại Rice và là đồng tác giả, cho biết: “Nghe có vẻ không nhiều, nhưng khoảng cách mạng tinh thể co lại 1% sẽ gây ra sự gia tăng đáng kể về dòng electron”. "Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy độ dẫn điện tử của vật liệu đã tăng lên gấp ba lần."

Đồng thời, bản chất của mạng tinh thể làm cho vật liệu có khả năng chống phân hủy, ngay cả khi bị nung nóng đến 80 độ C (176 độ F). Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng mạng tinh thể nhanh chóng giãn ra trở lại cấu hình tiêu chuẩn của nó sau khi đèn tắt.

“Một trong những điểm thu hút chính của perovskite 2D là chúng thường có các nguyên tử hữu cơ hoạt động như rào cản độ ẩm, ổn định nhiệt và giải quyết các vấn đề di chuyển ion,” nghiên cứu sinh kiêm đồng tác giả Siraj Sidhik cho biết. "Các perovskite 3D dễ bị mất ổn định về nhiệt và ánh sáng, vì vậy các nhà nghiên cứu bắt đầu đặt các lớp 2D lên trên các perovskite lớn để xem liệu chúng có thể tận dụng tối đa cả hai hay không.

"Chúng tôi nghĩ, hãy chuyển sang 2D và làm cho nó hiệu quả," ông nói.

Để quan sát sự co ngót của vật liệu, nhóm nghiên cứu đã sử dụng hai cơ sở sử dụng của Văn phòng Khoa học Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE): Nguồn sáng Synchrotron Quốc gia II của Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Phòng thí nghiệm Nhà nước Tiên tiến của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Phòng thí nghiệm Nguồn Photon (APS).

Nhà vật lý Argonne Joe Strzalka, đồng tác giả của bài báo, sử dụng tia X siêu sáng của APS để ghi lại những thay đổi cấu trúc nhỏ của vật liệu trong thời gian thực. Thiết bị nhạy cảm ở 8-ID-E của chùm tia APS cho phép thực hiện các nghiên cứu "vận hành", có nghĩa là các nghiên cứu được thực hiện khi thiết bị trải qua những thay đổi có kiểm soát về nhiệt độ hoặc môi trường trong điều kiện hoạt động bình thường. Trong trường hợp này, Strzalka và các đồng nghiệp của ông đã cho vật liệu cảm quang trong pin mặt trời tiếp xúc với ánh sáng mặt trời mô phỏng trong khi vẫn giữ nhiệt độ không đổi và quan sát thấy các cơn co nhỏ ở cấp độ nguyên tử.

Trong một thí nghiệm đối chứng, Strzalka và các đồng tác giả của ông giữ phòng tối, tăng nhiệt độ và quan sát thấy tác dụng ngược lại - sự giãn nở của vật chất. Điều này cho thấy rằng chính ánh sáng, không phải nhiệt mà nó tạo ra, đã gây ra sự biến đổi.

“Đối với những thay đổi như vậy, điều quan trọng là phải tiến hành nghiên cứu hoạt động,” Strzalka nói. "Giống như thợ máy của bạn muốn chạy động cơ của bạn để xem điều gì đang xảy ra trong đó, về cơ bản chúng tôi muốn quay video về quá trình chuyển đổi này, không phải một ảnh chụp nhanh. Các tiện nghi như APS cho phép chúng tôi thực hiện điều này."

Strzalka chỉ ra rằng APS đang được nâng cấp đáng kể để tăng độ sáng của tia X lên tới 500 lần. Ông nói rằng khi nó được hoàn thành, chùm sáng sáng hơn và máy dò nhanh hơn, sắc nét hơn sẽ giúp các nhà khoa học tăng khả năng phát hiện những thay đổi này với độ nhạy cao hơn.

Điều này có thể giúp nhóm Rice điều chỉnh nguyên liệu để có hiệu suất tốt hơn. Sidhik cho biết: “Chúng tôi đang thiết kế các cation và giao diện để đạt được hiệu quả hơn 20%. "Điều này sẽ thay đổi mọi thứ trong lĩnh vực perovskite vì sau đó mọi người sẽ bắt đầu sử dụng perovskite 2D cho các dòng perovskite / silicon và 2D / 2D perovskite, có thể mang lại hiệu quả gần 3%. Điều này sẽ khiến việc thương mại hóa của nó trở nên hấp dẫn."