Ryžių laboratorija nustato, kad 2D perovskito komplekse yra tinkamų ingredientų, kad būtų galima iššūkį didesniems produktams.

Rice universiteto inžinieriai nustatė naują standartą kurdami atominio plonumo saulės elementus, pagamintus iš perovskito puslaidininkių, padidindami jų efektyvumą ir tuo pačiu nekenkiant aplinkai.

Aditya Mohite laboratorija, įsikūrusi George’o Browno inžinerijos mokykloje Ryžiuose, atrado, kad saulės šviesa pati sutraukia erdvę tarp atominių sluoksnių dvimačiame perovskite tiek, kad fotovoltinių medžiagų efektyvumas būtų padidintas iki 18%, o tai yra stulbinantis šuolis srityje, kurioje daroma pažanga. dažnai matuojamas procentų dalimis.

„Per 10 metų perovskito efektyvumas sumažėjo nuo maždaug 3 % iki daugiau nei 25 %“, – sakė Moheti. Kitiems puslaidininkiams prireikė maždaug 60 metų. Štai kodėl mes taip susijaudinę. “

Paieška rodoma Gamtos nanotechnologijos.

Perovskitai yra junginiai su kubinėmis kristalinėmis gardelėmis ir yra labai efektyvūs optiniai rinktuvai. Jų potencialas buvo žinomas daugelį metų, tačiau jie kelia dilemą: jie gerai paverčia saulės šviesą energija, tačiau saulės šviesa ir drėgmė juos suardo.

„Tikimasi, kad saulės elementų technologija veiks 20–25 metus“, – sakė chemijos ir biomolekulinės inžinerijos, medžiagų mokslo ir nanoinžinerijos docentas Mohitas. „Dirbome daug metų ir toliau dirbame su dideliais kiekiais perovskitų, kurie yra labai veiksmingi, bet nėra stabilūs. Priešingai, 2D perovskitai pasižymi didžiuliu stabilumu, tačiau nėra pakankamai veiksmingi, kad juos būtų galima dėti ant paviršiaus.

„Didelis klausimas buvo padaryti jį veiksmingą nepakenkiant stabilumui“, – sakė jis.

Ryžių inžinieriai ir bendradarbiai Purdue ir Northwestern universitetuose, JAV Energetikos departamento nacionalinėse laboratorijose Los Alamose, Argonne ir Brookhaven bei Elektronikos ir skaitmeninių technologijų institute (INSA) Renne, Prancūzijoje, atrado, kad kai kuriuose dvimačiuose perovskituose saulės šviesa. efektyviai sumažinamas. Atstumas tarp atomų, pagerinantis jų gebėjimą pernešti srovę.

Siraj Sedik, Rice universiteto magistrantas, ruošiasi sukti substratą su junginiu, kuris užšąla dvimačiame perovskite. Ryžių inžinieriai nustatė, kad perovskito ekranai yra perspektyvūs efektyviems ir tvirtiems saulės elementams. Kreditas: Jeff Fitlow / Rice universitetas

„Mes nustatėme, kad kai apšviečiate medžiagą, ją suspaudžiate kaip kempinę ir sujungiate sluoksnius, kad pagerintumėte krūvio perdavimą ta kryptimi”, – sakė Mohitas. Tyrėjai nustatė, kad organiniai katijonai sluoksniuojasi tarp jodido viršuje ir pagerina sąveiką tarp sluoksnių apačioje.

„Šis darbas turi svarbių pasekmių tiriant sužadintas būsenas ir kvazidaleles, kuriose teigiamas krūvis viename sluoksnyje ir neigiamas krūvis kitame gali kalbėtis tarpusavyje“, – sakė Mohitas. „Tai vadinama eksitonais, kurie gali turėti unikalių savybių.

„Šis efektas suteikė mums galimybę suprasti ir pritaikyti šias pagrindines šviesos ir medžiagos sąveikas nesukuriant sudėtingų nevienalyčių struktūrų, tokių kaip dvimačiai pereinamojo metalo dikalkogenidai“, – sakė jis.

Eksperimentus kompiuteriniais modeliais patvirtino kolegos Prancūzijoje. „Šis tyrimas suteikė unikalią galimybę derinti pažangiausius modeliavimo metodus, fizinius tyrimus naudojant didelio masto nacionalinius sinchrotroninius įrenginius ir veikiančių saulės elementų in situ apibūdinimus“, – sakė INSA fizikos profesorius Jackie Even. „Straipsnyje pirmą kartą pavaizduota, kaip filtravimo reiškinys staiga sukelia įkrovos srovės srautą perovskito medžiagoje.”

Wenbin Li, Rice universiteto magistrantas, paruošia 2-D perovskito saulės elementą išbandyti saulės simuliatoriuje. Ryžių inžinieriai padidino 2D perovskito ląstelių efektyvumą išlaikant jų tvirtumą. Kreditas: Jeff Fitlow / Rice universitetas

Abu rezultatai parodė, kad po 10 minučių saulės simuliatoriuje, kurio tankis yra viena saulė, dvimatis perovskitas susitraukė 0,4% ilgio ir maždaug 1% iš viršaus į apačią. Jie parodė, kad efektas gali būti matomas per minutę žemiau penktosios saulės intensyvumo.

„Tai neatrodo daug, bet šis 1 % susitraukimas tarp gardelės atstumo žymiai padidina elektronų srautą“, – sakė Wenbin Lee, Rice magistrantas ir vienas iš pagrindinių autorių. „Mūsų tyrimai rodo, kad medžiagos elektroninis laidumas padidėjo tris kartus.

Tuo pačiu metu dėl tinklelio pobūdžio medžiaga buvo mažiau pažeidžiama, net kai ji buvo įkaitinta iki 80 laipsnių Celsijaus (176 laipsnių F). Tyrėjai taip pat nustatė, kad išjungus šviesą, grotelės greitai atsipalaidavo į normalią formą.

„Vienas iš pagrindinių 2D perovskito traukos objektų yra tai, kad juose paprastai yra organinių atomų, kurie veikia kaip drėgmės barjerai, yra termiškai stabilūs ir sprendžia jonų migracijos problemas“, – sakė Siraj Siddik, absolventas ir vienas iš vadovų. „3D perovskitai yra atsparūs karščiui ir šviesai, todėl mokslininkai pradėjo sluoksniuoti 2D sluoksnius ant perovskito, norėdami išsiaiškinti, ar jie gali gauti geriausią iš dviejų.

„Pagalvojome: „Tiesiog naudokimės tik 2D ir padarykime jį funkcionalų“, – sakė jis.

Rice universiteto absolventas Wenbin Lee, chemijos ir biomolekulinis inžinierius Aditya Mohit ir absolventas Siraj Sidhik vadovavo projektui gaminti dvimatį sustiprintą perovskitą efektyviems saulės elementams. Kreditas: Jeff Fitlow / Rice universitetas

Siekdama stebėti medžiagos susitraukimą, komanda naudojo dvi JAV Energetikos departamento (DOE) Mokslo biuro (DOE) Mokslo biuro naudotojų patalpas: Nacionalinį sinchrotroninį šviesos šaltinį II Energetikos departamento Brukhaveno nacionalinėje laboratorijoje ir pažangųjį fotonų šaltinį. (APS) Energetikos departamento Argonne National. Lab.

Argonne fizikas Joe Strzalka, vienas iš šio straipsnio autorių, naudojo APS itin ryškius rentgeno spindulius, kad realiuoju laiku užfiksuotų nedidelius struktūrinius medžiagos pokyčius. Jautrūs „Beamline 8-ID-E“ prietaisai leidžia APS atlikti „operando“ tyrimus, ty tuos, kurie atliekami, kai įprastomis veikimo sąlygomis prietaisui vyksta kontroliuojami temperatūros ar aplinkos pokyčiai. Šiuo atveju Strzalka ir kolegos atskleidė fotoaktyvią medžiagą iš saulės elemento, kad imituotų saulės šviesą, išlaikant pastovią temperatūrą, ir stebėjo nedidelius susitraukimus atominiame lygmenyje.

Kaip kontrolinį eksperimentą, Strzalka ir jo kolegos taip pat laikė patalpą tamsoje ir padidino temperatūrą, pastebėdami priešingą efektą – medžiagos išsiplėtimą. Tai parodė, kad transformaciją sukėlė pati šviesa, o ne jos sukuriama šiluma.

„Tokiems pokyčiams svarbu atlikti operos studijas“, – sakė Strzalka. „Taip pat, kaip jūsų mechanikas nori užvesti jūsų variklį, kad pamatytų, kas vyksta viduje, mes iš esmės norime nufilmuoti tą pamainą, o ne vieną kadrą. Tai leidžia mums padaryti tokios paslaugos kaip APS.”

Strzalka pažymėjo, kad APS šiuo metu vyksta didelis atnaujinimas, kuris padidins rentgeno spindulių ryškumą iki 500 kartų. Pasak jo, ryškesni spinduliai ir greitesni, aiškesni detektoriai pagerins mokslininkų gebėjimą aptikti šiuos pokyčius jautriau.

Tai gali padėti „Rice“ komandai modifikuoti medžiagas, kad jos veiktų geriau. „Mes stengiamės pasiekti daugiau nei 20 % efektyvumo sukūrę katijonus ir sąsajas“, – sakė jūsų draugas. „Tai pakeis viską perovskito srityje, nes tada žmonės pradės naudoti 2D perovskitą 2D perovskitui / siliciui ir 2D / 3D perovskito sinonimus, todėl efektyvumas gali siekti beveik 30%. Dėl to jis bus patrauklus rinkodarai.”

Nuoroda: Wenbin Li, Siraj Seddhik, Boubacar Traore, Reza Asadpour, Jin Ho, Hao Zhang, Austin Ver, Joseph Eismann, Yaffee Wang ir Justin M. . Hoffmanas, Ioannis Spanopoulosas, Jaredas J. Crochetas, Esther Tsai, Josephas Strzalka, Claudine Cattan, Muhammedas A. Alamas, Mercury J. Kanatzidis, Jackie Even, Jeanas-Christophe’as Blanconas ir Aditya D. Mohti, 2021 m. lapkričio 22 d., pasiekiama čia. Gamtos nanotechnologija.
DOI: 10.1038 / s41565-021-01010-2

Straipsnio bendraautoriai yra Rice absolventai Jin Ho, Hao Zhang ir Austinas Fehras, bakalauras Josephas Eastmanas ir mainų studentė Yaffe Wang bei bendraautorius Jeanas-Christophe’as Blancunas, vyresnysis mokslininkas Mohito laboratorijoje; Boubacar Traore, Claudine Cattan iš INSA; Reza Asadpour ir Muhammad Alam iš Bordo; Justin Hoffman, Ioannis Spanopoulos ir Mercury Kanatzidis iš Šiaurės Vakarų; Jaredą nerė Los Alamos, o Esther Tsai – Brookhaven.

Armijos tyrimų biuras, Prancūzijos akademinis institutas, Nacionalinis mokslo fondas (20-587, 1724728), Karinio jūrų laivyno tyrimų biuras (N00014-20-1-2725) ir Energetikos departamento mokslo biuras (AC02-06CH11357) rėmė tyrimus.