अल्ट्रा-पातलो सौर्य कोशिकाहरू?

अल्ट्रा-पातलो सौर्य कोशिकाहरू?

अल्ट्रा-पातलो सौर्य कोशिकाहरू सुधारिएका छन्: 2D पेरोभस्काइट यौगिकहरूमा भारी उत्पादनहरूलाई चुनौती दिन उपयुक्त सामग्रीहरू छन्।

राइस युनिभर्सिटीका इन्जिनियरहरूले सेमीकन्डक्टर पेरोभस्काइटहरूबाट बनेको आणविक-स्केल पातलो सौर्य सेलहरू डिजाइन गर्नमा नयाँ बेन्चमार्कहरू हासिल गरेका छन्, तिनीहरूको दक्षता बढाउँदै वातावरणको सामना गर्ने क्षमता कायम राख्दै।

राइस युनिभर्सिटीको जर्ज आर ब्राउन स्कूल अफ इन्जिनियरिङको आदित्य मोहिते प्रयोगशालाले पत्ता लगायो कि सूर्यको किरणले दुई-आयामी पेरोभस्काइटमा आणविक तहहरू बीचको ठाउँलाई संकुचित गर्छ, जुन सामग्रीको फोटोभोल्टिक दक्षतालाई 18% सम्म बढाउन पर्याप्त छ, जुन लगातार प्रगति हो। । क्षेत्र मा एक शानदार छलांग हासिल भएको छ र प्रतिशत मा मापन गरिएको छ।

"१० वर्षमा, पेरोभस्काइटको दक्षता लगभग 10% बाट 3% भन्दा बढि बढेको छ," मोहितेले भने। "अन्य अर्धचालकहरूले हासिल गर्न लगभग 25 वर्ष लाग्नेछ। त्यसैले हामी धेरै उत्साहित छौं।"

Perovskite एक घन जाली संग एक यौगिक हो र एक कुशल प्रकाश कलेक्टर हो। तिनीहरूको क्षमता धेरै वर्षको लागि थाहा छ, तर तिनीहरूसँग एक समस्या छ: तिनीहरूले सूर्यको किरणलाई ऊर्जामा रूपान्तरण गर्न सक्छन्, तर सूर्यको किरण र नमीले तिनीहरूलाई घटाउन सक्छ।

केमिकल र बायोमोलेकुलर इन्जिनियरिङ् र सामग्री विज्ञान र न्यानो इन्जिनियरिङका एसोसिएट प्रोफेसर मोहितेले भने, "सौर सेल प्रविधि २० देखि २५ वर्षसम्म चल्ने अपेक्षा गरिएको छ।" "हामी धेरै वर्षदेखि काम गरिरहेका छौं र ठूला पेरोभस्काइटहरू प्रयोग गर्न जारी राखेका छौं जुन धेरै प्रभावकारी तर धेरै स्थिर छैनन्। यसको विपरीत, दुई-आयामी पेरोभस्काइटहरूमा उत्कृष्ट स्थिरता छ तर छतमा राख्नको लागि पर्याप्त कुशल छैन।

"सबैभन्दा ठूलो समस्या भनेको स्थिरतासँग सम्झौता नगरी उनीहरूलाई प्रभावकारी बनाउनु हो।"
राइस इन्जिनियरहरू र पर्ड्यू विश्वविद्यालय र नर्थवेस्टर्न युनिभर्सिटी, लस अलामोस, अमेरिकी ऊर्जा राष्ट्रिय प्रयोगशाला विभागका अर्गोन र ब्रूकाभेन र फ्रान्सको रेन्समा रहेको इन्स्टिच्युट अफ इलेक्ट्रोनिक्स एन्ड डिजिटल टेक्नोलोजी (INSA) र उनीहरूका सहयोगीहरूले फेला पारे। केही दुई-आयामी पेरोभस्काइटहरू, सूर्यको किरणले परमाणुहरू बीचको ठाउँलाई प्रभावकारी रूपमा संकुचित गर्छ, तिनीहरूको विद्युतीय प्रवाह बोक्ने क्षमता बढाउँछ।

"हामीले फेला पार्‍यौं कि जब तपाइँ सामग्रीलाई प्रज्वलित गर्नुहुन्छ, तपाइँ यसलाई स्पन्ज जस्तै निचोड गर्नुहुन्छ र त्यस दिशामा चार्ज स्थानान्तरण बढाउनको लागि तहहरू जम्मा गर्नुहुन्छ," मोच्टले भने। अन्वेषकहरूले पत्ता लगाए कि माथिको आयोडाइड र तलको सिसाको बीचमा कार्बनिक क्यासनको तह राख्नाले तहहरू बीचको अन्तरक्रिया बढाउन सक्छ।

"यो काम उत्तेजित अवस्थाहरू र अर्धकणहरूको अध्ययनको लागि ठूलो महत्त्वको छ, जहाँ सकारात्मक चार्जको एक तह अर्कोमा छ, र नकारात्मक चार्ज अर्कोमा छ, र तिनीहरू एक अर्कासँग कुरा गर्न सक्छन्," मोचले भने। "यीहरूलाई एक्सिटोन भनिन्छ, र तिनीहरूसँग अद्वितीय गुणहरू हुन सक्छन्।

"यस प्रभावले हामीलाई यी आधारभूत लाइट-म्याटर अन्तरक्रियाहरू बुझ्न र समायोजन गर्न अनुमति दिन्छ जटिल हेटेरोस्ट्रक्चरहरू जस्तै स्ट्याक्ड 2D ट्रान्जिसन मेटल डिचल्कोजेनाइडहरू सिर्जना नगरी," उनले भने।

फ्रान्सका सहकर्मीहरूले कम्प्युटर मोडेलको साथ प्रयोगको पुष्टि गरे। INSA मा भौतिकशास्त्रका प्रोफेसर जैकी इभेनले भने: "यस अनुसन्धानले सबैभन्दा उन्नत ab initio सिमुलेशन टेक्नोलोजी, ठूलो मात्रामा राष्ट्रिय सिन्क्रोट्रोन सुविधाहरू प्रयोग गरी सामग्री अनुसन्धान, र सञ्चालनमा रहेको सौर्य कक्षहरूको इन-सिटु क्यारेक्टराइजेसन संयोजन गर्ने अनौठो अवसर प्रदान गर्दछ। ।" "यो पेपरले पहिलो पटक वर्णन गर्दछ कि कसरी सीपेज घटनाले अचानक पेरोभस्काइट सामग्रीमा चार्जिंग करेन्ट जारी गर्दछ।"

दुबै नतिजाहरूले देखाउँछन् कि सौर्य तीव्रतामा सौर्य सिम्युलेटरको एक्सपोजरको १० मिनेट पछि, दुई-आयामी पेरोभस्काइट यसको लम्बाइमा ०.४% र माथिदेखि तलसम्म लगभग १% संकुचित हुन्छ। तिनीहरूले प्रमाणित गरे कि प्रभाव 10 मिनेट भित्र पाँच सूर्य तीव्रता अन्तर्गत देख्न सकिन्छ।

"यो धेरै जस्तो लाग्दैन, तर लेटिस स्पेसिङको 1% संकुचनले इलेक्ट्रोन प्रवाहमा पर्याप्त वृद्धि निम्त्याउँछ," ली वेनबिन, राईसका स्नातक विद्यार्थी र सह-प्रमुख लेखकले भने। "हाम्रो अनुसन्धानले देखाउँछ कि सामग्रीको इलेक्ट्रोनिक चालन तीन गुणा बढेको छ।"

एकै समयमा, क्रिस्टल जालीको प्रकृतिले सामग्रीलाई 80 डिग्री सेल्सियस (176 डिग्री फरेनहाइट) मा तताउँदा पनि क्षरण प्रतिरोधी बनाउँछ। अन्वेषकहरूले यो पनि फेला पारे कि एक पटक बत्तीहरू बन्द भएपछि जाली चाँडै आफ्नो मानक कन्फिगरेसनमा आराम गर्दछ।

"2D perovskites को मुख्य आकर्षण मध्ये एक हो कि तिनीहरूसँग सामान्यतया आर्द्रता अवरोधको रूपमा काम गर्ने जैविक परमाणुहरू हुन्छन्, थर्मल रूपमा स्थिर हुन्छन्, र आयन माइग्रेसन समस्याहरू समाधान गर्छन्," स्नातक विद्यार्थी र सह-प्रमुख लेखक सिराज सिद्धिकले भने। "थ्रीडी पेरोभस्काइटहरू थर्मल र प्रकाश अस्थिरताको जोखिममा छन्, त्यसैले शोधकर्ताहरूले 3D तहहरू ठूला पेरोभस्काइटहरूको शीर्षमा राख्न थाले कि उनीहरूले दुवैबाट अधिकतम बनाउन सक्छन् कि भनेर हेर्न।

"हामी सोच्दछौं, 2D मा स्विच गरौं र यसलाई प्रभावकारी बनाऔं," उनले भने।

सामग्रीको संकुचन अवलोकन गर्न, टोलीले यूएस ऊर्जा विभाग (DOE) विज्ञान कार्यालयको दुई प्रयोगकर्ता सुविधाहरू प्रयोग गर्‍यो: अमेरिकी ऊर्जा विभागको ब्रूकहाभेन राष्ट्रिय प्रयोगशालाको राष्ट्रिय सिन्क्रोट्रोन लाइट स्रोत II र उन्नत राज्य प्रयोगशाला। अमेरिकी ऊर्जा विभागको अर्गोन राष्ट्रिय प्रयोगशाला। फोटोन स्रोत (एपीएस) प्रयोगशाला।

Argonne भौतिकशास्त्री जो Strzalka, कागजका सह-लेखक, वास्तविक समयमा सामग्रीमा साना संरचनात्मक परिवर्तनहरू खिच्न APS को अल्ट्रा-उज्ज्वल एक्स-रेहरू प्रयोग गर्छन्। APS बिमलाइनको 8-ID-E मा रहेको संवेदनशील उपकरणले "सञ्चालनात्मक" अध्ययनहरूको लागि अनुमति दिन्छ, जसको मतलब उपकरणले तापमान वा वातावरणमा सामान्य अपरेटिङ् अवस्थाहरूमा नियन्त्रित परिवर्तनहरू पार गर्दा सञ्चालन गरिएको अध्ययन हो। यस अवस्थामा, स्ट्रजाल्का र उनका सहकर्मीहरूले तापक्रम स्थिर राख्दै सौर्य कक्षमा रहेको फोटोसेन्सिटिभ सामग्रीलाई सिमुलेटेड सूर्यको प्रकाशमा उजागर गरे र परमाणु स्तरमा स-साना संकुचनहरू अवलोकन गरे।

नियन्त्रण प्रयोगको रूपमा, Strzalka र तिनका सह-लेखकहरूले कोठा अँध्यारो राखे, तापक्रम बढाए, र विपरीत प्रभाव - सामग्री विस्तार अवलोकन गरे। यसले प्रकाश आफैंले उत्पन्न गरेको तापले होइन, परिवर्तनको कारण हो भनेर सुझाव दिन्छ।

"यस्ता परिवर्तनहरूको लागि, परिचालन अनुसन्धान सञ्चालन गर्न महत्त्वपूर्ण छ," स्ट्रजाल्काले भने। "जस्तै तपाईको मेकानिकले तपाईको इन्जिनमा के भइरहेको छ भनेर हेर्न चाहन्छ, हामी अनिवार्य रूपमा यो रूपान्तरणको भिडियो लिन चाहन्छौं, एकल स्न्यापसट होइन। APS जस्ता सुविधाहरूले हामीलाई यो गर्न अनुमति दिन्छ।"

स्ट्रजाल्काले औंल्याए कि APS ले यसको एक्स-रेको चमक 500 गुणा सम्म बढाउनको लागि महत्त्वपूर्ण अपग्रेड हुँदैछ। उनले भने कि जब यो पूरा हुन्छ, उज्यालो बीम र छिटो, तीखा डिटेक्टरहरूले यी परिवर्तनहरूलाई अधिक संवेदनशीलताका साथ पत्ता लगाउन वैज्ञानिकहरूको क्षमता बढाउनेछ।

यसले चावल टोलीलाई राम्रो प्रदर्शनको लागि सामग्री समायोजन गर्न मद्दत गर्न सक्छ। "हामी २०% भन्दा बढीको दक्षता हासिल गर्न क्यासन र इन्टरफेसहरू डिजाइन गर्दैछौं," सिद्धिकले भने। "यसले perovskite क्षेत्रमा सबै कुरा परिवर्तन गर्नेछ किनभने त्यसपछि मानिसहरूले 20D perovskite/सिलिकन र 2D/2D perovskite शृङ्खलाका लागि 2D perovskite प्रयोग गर्न थाल्नेछन्, जसले दक्षतालाई 3% नजिक ल्याउन सक्छ। यसले यसको व्यावसायीकरणलाई आकर्षक बनाउनेछ।"