سلول های خورشیدی فوق نازک؟

سلول های خورشیدی فوق نازک؟

سلول های خورشیدی بسیار نازک بهبود یافته است: ترکیبات پروسکایت دوبعدی مواد مناسبی برای به چالش کشیدن محصولات حجیم دارند.

مهندسان دانشگاه رایس به معیارهای جدیدی در طراحی سلول های خورشیدی نازک در مقیاس اتمی که از پروسکایت های نیمه هادی ساخته شده اند، دست یافته اند و کارایی آنها را افزایش می دهند و در عین حال توانایی خود را برای مقاومت در برابر محیط حفظ می کنند.

آزمایشگاه Aditya Mohite از دانشکده مهندسی جورج آر براون دانشگاه رایس دریافت که نور خورشید فضای بین لایه‌های اتمی را در یک پروسکایت دو بعدی کوچک می‌کند، به اندازه‌ای که بازده فتوولتائیک این ماده را تا 18 درصد افزایش می‌دهد که پیشرفت مکرر است. . یک جهش فوق العاده در این زمینه به دست آمده است و در درصد اندازه گیری شده است.

موهیت گفت: «در 10 سال، بازده پروسکایت از حدود 3 درصد به بیش از 25 درصد افزایش یافته است. "سایر نیمه هادی ها حدود 60 سال طول می کشد تا به دست آیند. به همین دلیل است که ما بسیار هیجان زده هستیم."

پروسکایت ترکیبی با شبکه مکعبی است و یک جمع کننده نور کارآمد است. پتانسیل آنها برای سال ها شناخته شده است، اما آنها یک مشکل دارند: آنها می توانند نور خورشید را به انرژی تبدیل کنند، اما نور خورشید و رطوبت می توانند آنها را تخریب کنند.

موهیت، دانشیار مهندسی شیمی و بیومولکولی و علم مواد و مهندسی نانو، گفت: انتظار می‌رود فناوری سلول‌های خورشیدی 20 تا 25 سال دوام بیاورد. ما سال‌هاست که کار می‌کنیم و همچنان از پروسکایت‌های بزرگ استفاده می‌کنیم که بسیار موثر هستند اما خیلی پایدار نیستند. در مقابل، پروسکایت‌های دو بعدی پایداری عالی دارند اما به اندازه کافی کارآمد نیستند که روی سقف قرار بگیرند.

بزرگترین مشکل کارآمد ساختن آنها بدون به خطر انداختن ثبات است.»
مهندسان رایس و همکارانشان از دانشگاه پوردو و دانشگاه نورث وسترن، لوس آلاموس، آرگون و بروکهاون از آزمایشگاه ملی وزارت انرژی ایالات متحده، و موسسه الکترونیک و فناوری دیجیتال (INSA) در رن، فرانسه و همکارانشان دریافتند که در برخی از پروسکایت های دو بعدی، نور خورشید به طور موثر فضای بین اتم ها را کوچک می کند و توانایی آنها را برای حمل جریان الکتریکی افزایش می دهد.

موخت گفت: «ما متوجه شدیم که وقتی مواد را مشتعل می‌کنید، آن‌ها را مانند یک اسفنج فشرده می‌کنید و لایه‌ها را کنار هم جمع می‌کنید تا انتقال بار در آن جهت را افزایش دهید.» محققان دریافتند که قرار دادن لایه ای از کاتیون های آلی بین یدید در بالا و سرب در پایین می تواند برهمکنش بین لایه ها را افزایش دهد.

موخت گفت: «این کار برای مطالعه حالت‌های برانگیخته و شبه ذرات، که در آن یک لایه بار مثبت روی دیگری و بار منفی روی دیگری قرار دارد، اهمیت زیادی دارد و آنها می‌توانند با یکدیگر صحبت کنند.» «اینها اکسیتون نامیده می شوند و ممکن است خواص منحصر به فردی داشته باشند.

او گفت: «این اثر به ما امکان می‌دهد تا این برهم‌کنش‌های اساسی ماده نور-ماده را بدون ایجاد ناهم‌ساختارهای پیچیده مانند دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه دوبعدی، درک و تنظیم کنیم».

همکاران در فرانسه آزمایش را با یک مدل کامپیوتری تایید کردند. Jacky Even، پروفسور فیزیک در INSA، گفت: "این تحقیق فرصتی منحصر به فرد برای ترکیب پیشرفته ترین فناوری شبیه سازی از ابتدا، تحقیقات مواد با استفاده از تاسیسات سنکروترون ملی در مقیاس بزرگ، و شناسایی درجا سلول های خورشیدی در حال کار فراهم می کند. " "این مقاله برای اولین بار توضیح می دهد که چگونه پدیده تراوش به طور ناگهانی جریان شارژ را در ماده پروسکایت آزاد می کند."

هر دو نتیجه نشان می دهند که پس از 10 دقیقه قرار گرفتن در معرض شبیه ساز خورشیدی با شدت خورشید، پروسکایت دو بعدی 0.4٪ در طول خود و حدود 1٪ از بالا به پایین کوچک می شود. آنها ثابت کردند که این اثر را می توان در عرض 1 دقیقه زیر پنج شدت خورشید مشاهده کرد.

لی ونبین، دانشجوی فارغ التحصیل در رایس و یکی از نویسنده‌های ارشد، می‌گوید: «به نظر زیاد نمی‌آید، اما انقباض 1 درصدی فاصله شبکه باعث افزایش قابل‌توجهی در جریان الکترون می‌شود». تحقیقات ما نشان می دهد که هدایت الکترونیکی مواد سه برابر شده است.

در عین حال، ماهیت شبکه کریستالی باعث می شود که مواد در برابر تخریب مقاوم باشند، حتی زمانی که تا 80 درجه سانتیگراد (176 درجه فارنهایت) گرم شوند. محققان همچنین دریافتند که پس از خاموش شدن چراغ ها، شبکه به سرعت به پیکربندی استاندارد خود باز می گردد.

سراج سیدیک، دانشجوی فارغ التحصیل و یکی از نویسندگان، می گوید: «یکی از جذابیت های اصلی پروسکایت های دوبعدی این است که آنها معمولاً اتم های آلی دارند که به عنوان مانع رطوبت عمل می کنند، از نظر حرارتی پایدار هستند و مشکلات مهاجرت یون ها را حل می کنند. پروسکایت‌های سه‌بعدی مستعد ناپایداری حرارتی و نوری هستند، بنابراین محققان شروع به قرار دادن لایه‌های دو بعدی روی پروسکایت‌های عظیم کردند تا ببینند آیا می‌توانند از هر دو نهایت استفاده را ببرند یا خیر.

او گفت: "ما فکر می کنیم، بیایید فقط به دوبعدی روی بیاوریم و آن را کارآمد کنیم."

برای مشاهده انقباض مواد، تیم از دو تسهیلات کاربری دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) استفاده کرد: منبع نور ملی سنکروترون II آزمایشگاه ملی بروکهاون از وزارت انرژی ایالات متحده و آزمایشگاه دولتی پیشرفته آزمایشگاه ملی آرگون وزارت انرژی ایالات متحده. آزمایشگاه منبع فوتون (APS).

Joe Strzalka فیزیکدان Argonne، نویسنده همکار مقاله، از پرتوهای ایکس فوق درخشان APS برای ثبت تغییرات ساختاری کوچک در مواد در زمان واقعی استفاده می کند. ابزار حساس در 8-ID-E خط پرتو APS امکان مطالعات "عملیاتی" را فراهم می کند، که به معنی مطالعاتی است که زمانی که تجهیزات تحت شرایط عملیاتی عادی تحت تغییرات کنترل شده دما یا محیط قرار می گیرند، انجام می شود. در این مورد، Strzalka و همکارانش مواد حساس به نور در سلول خورشیدی را در معرض نور خورشید شبیه سازی شده قرار دادند و در عین حال دما را ثابت نگه داشتند و انقباضات کوچکی را در سطح اتمی مشاهده کردند.

به عنوان یک آزمایش کنترلی، Strzalka و همکارانش اتاق را تاریک نگه داشتند، دما را افزایش دادند و اثر معکوس را مشاهده کردند - گسترش مواد. این نشان می دهد که خود نور، نه گرمایی که تولید می کند، باعث تغییر شکل شده است.

استرزالکا گفت: «برای چنین تغییراتی، انجام تحقیقات عملیاتی مهم است. درست مانند مکانیک شما که می‌خواهد موتور شما را روشن کند تا ببیند چه اتفاقی در آن می‌افتد، ما اساساً می‌خواهیم از این تبدیل ویدیویی بگیریم، نه یک عکس فوری. امکاناتی مانند APS به ما این امکان را می‌دهند.

Strzalka اشاره کرد که APS در حال ارتقاء قابل توجهی برای افزایش روشنایی اشعه ایکس خود تا 500 برابر است. وی گفت که با تکمیل، پرتوهای روشن‌تر و آشکارسازهای سریع‌تر و تیزتر، توانایی دانشمندان را برای تشخیص این تغییرات با حساسیت بیشتر افزایش می‌دهد.

این می تواند به تیم رایس کمک کند تا مواد را برای عملکرد بهتر تنظیم کند. سیدیک گفت: «ما در حال طراحی کاتیون‌ها و رابط‌ها برای دستیابی به بازدهی بیش از 20 درصد هستیم. "این همه چیز را در زمینه پروسکایت تغییر خواهد داد زیرا در این صورت مردم شروع به استفاده از پروسکایت دو بعدی برای پروسکایت/سیلیکون دو بعدی و پروسکایت 2 بعدی/2 بعدی خواهند کرد که می تواند کارایی را به 2% برساند. این امر تجاری سازی آن را جذاب می کند."