Celloedd solar tenau iawn?

Celloedd solar tenau iawn?

Celloedd solar tenau iawn wedi'u gwella: mae gan gyfansoddion perovskite 2D y deunyddiau addas i herio cynhyrchion swmpus.

Mae peirianwyr ym Mhrifysgol Rice wedi cyflawni meincnodau newydd wrth ddylunio celloedd solar tenau ar raddfa atomig wedi'u gwneud o berofskites lled-ddargludyddion, gan gynyddu eu heffeithlonrwydd tra'n cynnal eu gallu i wrthsefyll yr amgylchedd.

Canfu labordy Aditya Mohite o Ysgol Beirianneg George R Brown Prifysgol Rice fod golau'r haul yn crebachu'r gofod rhwng yr haenau atomig mewn perovskite dau ddimensiwn, yn ddigon i gynyddu effeithlonrwydd ffotofoltäig y deunydd cymaint â 18%, sy'n gynnydd aml. . Mae naid wych wedi ei gyflawni yn y maes ac wedi ei fesur mewn canrannau.

"Mewn 10 mlynedd, mae effeithlonrwydd perovskite wedi cynyddu o tua 3% i fwy na 25%," meddai Mohite. "Bydd lled-ddargludyddion eraill yn cymryd tua 60 mlynedd i'w cyflawni. Dyna pam rydyn ni mor gyffrous."

Mae Perovskite yn gyfansoddyn gyda dellt ciwbig ac mae'n gasglwr golau effeithlon. Mae eu potensial wedi bod yn hysbys ers blynyddoedd lawer, ond mae ganddynt broblem: Gallant droi golau'r haul yn ynni, ond gall golau'r haul a lleithder eu diraddio.

“Disgwylir i dechnoleg celloedd solar bara 20 i 25 mlynedd,” meddai Mohite, athro cyswllt peirianneg gemegol a biomoleciwlaidd a gwyddor deunyddiau a nanobeirianneg. "Rydym wedi bod yn gweithio ers blynyddoedd lawer ac yn parhau i ddefnyddio perovskites mawr sy'n effeithiol iawn ond nid yn sefydlog iawn. Mewn cyferbyniad, mae perovskites dau-ddimensiwn â sefydlogrwydd rhagorol ond nid ydynt yn ddigon effeithlon i gael eu gosod ar y to.

"Y broblem fwyaf yw eu gwneud yn effeithlon heb beryglu sefydlogrwydd."
Canfu'r peirianwyr Rice a'u cydweithwyr o Brifysgol Purdue a Phrifysgol Northwestern, Los Alamos, Argonne a Brookhaven o Labordy Cenedlaethol Adran Ynni yr Unol Daleithiau, a Sefydliad Electroneg a Thechnoleg Ddigidol (INSA) yn Rennes, Ffrainc, a'u cydweithwyr fod In rhai perovskites dau-ddimensiwn, golau'r haul yn effeithiol yn crebachu y gofod rhwng atomau, gan gynyddu eu gallu i gario cerrynt trydanol.

“Fe wnaethon ni ddarganfod pan fyddwch chi'n tanio'r deunydd, rydych chi'n ei wasgu fel sbwng ac yn casglu'r haenau at ei gilydd i wella'r trosglwyddiad gwefr i'r cyfeiriad hwnnw,” meddai Mocht. Canfu'r ymchwilwyr y gall gosod haen o gatiau organig rhwng yr ïodid ar y brig a'r plwm ar y gwaelod wella'r rhyngweithio rhwng yr haenau.

"Mae'r gwaith hwn o arwyddocâd mawr i astudio cyflyrau cynhyrfus a lled-ronynnau, lle mae un haen o wefr bositif ar y llall, a'r gwefr negyddol ar y llall, a gallant siarad â'i gilydd," meddai Mocht. “Mae’r rhain yn cael eu galw’n excitons, ac efallai bod ganddyn nhw briodweddau unigryw.

"Mae'r effaith hon yn ein galluogi i ddeall ac addasu'r rhyngweithiadau mater golau sylfaenol hyn heb greu heterostructures cymhleth fel deuchalcogenides metel trawsnewid 2D wedi'u pentyrru," meddai.

Cadarnhaodd cydweithwyr yn Ffrainc yr arbrawf gyda model cyfrifiadurol. Dywedodd Jacky Even, Athro Ffiseg yn INSA: "Mae'r ymchwil hwn yn rhoi cyfle unigryw i gyfuno'r dechnoleg efelychu ab initio mwyaf datblygedig, ymchwil materol gan ddefnyddio cyfleusterau synchrotron cenedlaethol ar raddfa fawr, a nodweddion in-situ o gelloedd solar sydd ar waith. Cyfuno ." "Mae'r papur hwn yn disgrifio am y tro cyntaf sut mae'r ffenomen tryddiferiad yn sydyn yn rhyddhau'r cerrynt gwefru yn y deunydd perovskite."

Mae'r ddau ganlyniad yn dangos, ar ôl 10 munud o ddod i gysylltiad â'r efelychydd solar ar ddwysedd solar, bod y perovskite dau-ddimensiwn yn crebachu 0.4% ar ei hyd a thua 1% o'r brig i'r gwaelod. Roeddent yn profi y gellid gweld yr effaith o fewn 1 munud o dan bum dwyster haul.

“Nid yw’n swnio fel llawer, ond bydd crebachu o 1% yn y bylchau dellt yn achosi cynnydd sylweddol yn y llif electronau,” meddai Li Wenbin, myfyriwr graddedig yn Rice a chyd-awdur arweiniol. "Mae ein hymchwil yn dangos bod dargludiad electronig y deunydd wedi cynyddu deirgwaith."

Ar yr un pryd, mae natur y dellt grisial yn gwneud y deunydd yn gallu gwrthsefyll diraddio, hyd yn oed pan gaiff ei gynhesu i 80 gradd Celsius (176 gradd Fahrenheit). Canfu'r ymchwilwyr hefyd fod y dellt yn ymlacio'n gyflym yn ôl i'w ffurfwedd safonol unwaith y bydd y goleuadau wedi'u diffodd.

"Un o brif atyniadau perovskites 2D yw eu bod fel arfer yn cael atomau organig sy'n gweithredu fel rhwystrau lleithder, yn sefydlog yn thermol, ac yn datrys problemau mudo ïon," meddai myfyriwr graddedig a chyd-awdur arweiniol Siraj Sidhik. “Mae perovskites 3D yn dueddol o ansefydlogrwydd thermol a golau, felly dechreuodd ymchwilwyr osod haenau 2D ar ben perovskites enfawr i weld a allent wneud y gorau o'r ddau.

“Rydyn ni'n meddwl, gadewch i ni newid i 2D a'i wneud yn effeithlon,” meddai.

Er mwyn arsylwi ar y crebachu yn y deunydd, defnyddiodd y tîm ddau gyfleuster defnyddiwr Swyddfa Wyddoniaeth Adran Ynni yr Unol Daleithiau (DOE): Ffynhonnell Golau Synchrotron Cenedlaethol II o Labordy Cenedlaethol Brookhaven Adran Ynni yr Unol Daleithiau a'r Labordy Gwladol Uwch o Labordy Cenedlaethol Argonne Adran Ynni yr Unol Daleithiau. Labordy Ffoton Ffynhonnell (APS).

Mae ffisegydd Argonne Joe Strzalka, cyd-awdur y papur, yn defnyddio pelydrau-X tra-llachar APS i ddal newidiadau strwythurol bach mewn deunyddiau mewn amser real. Mae'r offeryn sensitif yn 8-ID-E y beamline APS yn caniatáu ar gyfer astudiaethau "gweithredol", sy'n golygu astudiaethau a gynhelir pan fydd yr offer yn cael newidiadau rheoledig mewn tymheredd neu amgylchedd o dan amodau gweithredu arferol. Yn yr achos hwn, datgelodd Strzalka a'i gydweithwyr y deunydd ffotosensitif yn y gell solar i olau'r haul efelychiadol tra'n cadw'r tymheredd yn gyson ac yn arsylwi cyfangiadau bach ar y lefel atomig.

Fel arbrawf rheoli, cadwodd Strzalka a'i gyd-awduron yr ystafell yn dywyll, cynyddodd y tymheredd, a gwelodd yr effaith groes - ehangu deunydd. Mae hyn yn awgrymu mai'r golau ei hun, nid y gwres y mae'n ei gynhyrchu, a achosodd y trawsnewid.

"Ar gyfer newidiadau o'r fath, mae'n bwysig cynnal ymchwil weithredol," meddai Strzalka. "Yn union fel mae eich mecanic eisiau rhedeg eich injan i weld beth sy'n digwydd ynddo, rydym yn ei hanfod eisiau cymryd fideo o'r trosiad hwn, nid un ciplun. Mae cyfleusterau fel Gwasanaeth Seneddol y Cynulliad yn ein galluogi i wneud hyn."

Tynnodd Strzalka sylw at y ffaith bod APS yn cael ei uwchraddio'n sylweddol i gynyddu disgleirdeb ei belydrau-X hyd at 500 o weithiau. Dywedodd, pan fydd wedi'i gwblhau, y bydd trawstiau mwy disglair a synwyryddion cyflymach, cliriach yn cynyddu gallu gwyddonwyr i ganfod y newidiadau hyn gyda mwy o sensitifrwydd.

Gall hyn helpu tîm Rice i addasu'r deunydd ar gyfer perfformiad gwell. "Rydym yn dylunio cationau a rhyngwynebau i gyflawni effeithlonrwydd o fwy nag 20%," meddai Sidhik. "Bydd hyn yn newid popeth yn y maes perovskite oherwydd wedyn bydd pobl yn dechrau defnyddio perovskite 2D ar gyfer 2D perovskite/silicon a 2D/3D perovskite gyfres, a all ddod â'r effeithlonrwydd yn agos at 30%. Bydd hyn yn gwneud ei fasnacheiddio yn ddeniadol."