Funnelling Electrons 777x1010 1 2
Thông tin công nghệ

Bí ẩn về các tế bào năng lượng mặt trời mới lạ có hiệu suất cao được tiết lộ trong sự rõ ràng đáng kinh ngạc

Biểu diễn nghệ thuật của các electron liên kết vào các khu vực chất lượng cao của vật liệu perovskite. Tín dụng: Alex T. tại Ella Maru Studios

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Cambridge đã sử dụng một bộ các phương pháp hiển vi đa phương thức tương quan để lần đầu tiên hình dung được tại sao vật liệu perovskite dường như có thể chịu được các khuyết tật trong cấu trúc của chúng. Phát hiện của họ đã được công bố vào ngày hôm nay (22 tháng 11 năm 2021) trên tạp chí Nature Nanotechnology .

Vật liệu được sử dụng phổ biến nhất để sản xuất tấm pin mặt trời là silicon tinh thể, nhưng để đạt được sự chuyển đổi năng lượng hiệu quả đòi hỏi một quy trình sản xuất tiêu tốn nhiều năng lượng và thời gian để tạo ra cấu trúc wafer có thứ tự cao theo yêu cầu.

Trong thập kỷ qua, vật liệu perovskite đã nổi lên như những lựa chọn thay thế đầy hứa hẹn.

Các muối chì được sử dụng để sản xuất chúng dồi dào hơn và rẻ hơn nhiều so với silicon kết tinh, và chúng có thể được điều chế trong một loại mực lỏng được in đơn giản để tạo ra màng vật liệu. Chúng cũng cho thấy tiềm năng to lớn đối với các ứng dụng quang điện tử khác, chẳng hạn như điốt phát quang (LED) và máy dò tia X tiết kiệm năng lượng.

Hiệu suất ấn tượng của perovskites là điều đáng ngạc nhiên. Mô hình điển hình cho một chất bán dẫn xuất sắc là một cấu trúc rất có trật tự, nhưng một loạt các nguyên tố hóa học khác nhau được kết hợp trong perovskites tạo ra một cảnh quan ‘lộn xộn’ hơn nhiều.

Sự không đồng nhất này gây ra các khuyết tật trong vật liệu dẫn đến các ‘bẫy’ kích thước nano, làm giảm hiệu suất quang điện của các thiết bị. Nhưng bất chấp sự hiện diện của những khuyết tật này, vật liệu perovskite vẫn cho thấy mức độ hiệu quả tương đương với các chất thay thế silicon của chúng.

Trên thực tế, nghiên cứu trước đó của nhóm đã chỉ ra cấu trúc bị rối loạn thực sự có thể làm tăng hiệu suất của quang điện tử perovskite, và công trình mới nhất của họ tìm cách giải thích tại sao.

Kết hợp một loạt các kỹ thuật kính hiển vi mới, nhóm trình bày một bức tranh toàn cảnh về cảnh quan hóa học, cấu trúc và quang điện tử ở quy mô nano của những vật liệu này, cho thấy những tương tác phức tạp giữa các yếu tố cạnh tranh này và cuối cùng, cho thấy những gì xuất hiện trên đầu trang.

Nghiên cứu sinh Kyle Frohna giải thích: “Những gì chúng tôi thấy là chúng ta có hai dạng rối loạn xảy ra song song,“ rối loạn điện tử liên quan đến các khiếm khuyết làm giảm hiệu suất, và sau đó là rối loạn hóa học không gian dường như cải thiện nó.

“Và những gì chúng tôi phát hiện ra là rối loạn hóa học – rối loạn ‘tốt’ trong trường hợp này – giảm thiểu rối loạn ‘xấu’ từ các khiếm khuyết bằng cách điều khiển các chất mang điện tích tránh xa những cái bẫy mà nếu không chúng có thể mắc vào.”

Phối hợp với Phòng thí nghiệm Cavendish của Cambridge, cơ sở đồng bộ nguồn ánh sáng kim cương ở Didcot và Viện Khoa học và Công nghệ Okinawa ở Nhật Bản, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một số kỹ thuật hiển vi khác nhau để xem xét các vùng giống nhau trong phim perovskite. Sau đó, họ có thể so sánh kết quả từ tất cả các phương pháp này để đưa ra bức tranh đầy đủ về những gì đang xảy ra ở cấp độ nano trong những vật liệu mới đầy hứa hẹn này.

“Ý tưởng là chúng tôi làm một cái gì đó gọi là kính hiển vi đa phương thức, một cách nói rất hay rằng chúng tôi xem xét cùng một khu vực của mẫu bằng nhiều kính hiển vi khác nhau và về cơ bản cố gắng tương quan các đặc tính mà chúng tôi rút ra từ một với các đặc tính chúng tôi lấy ra. Frohna nói. “Những thử nghiệm này tốn nhiều thời gian và tài nguyên, nhưng phần thưởng bạn nhận được về mặt thông tin mà bạn có thể rút ra là rất tuyệt vời”.

Phát hiện này sẽ cho phép nhóm và những người khác trong lĩnh vực này tinh chỉnh thêm cách chế tạo pin mặt trời perovskite để tối đa hóa hiệu quả.

“Trong một thời gian dài, mọi người đã ném ra thuật ngữ dung sai khuyết tật, nhưng đây là lần đầu tiên có người hình dung đúng về nó để hiểu được ý nghĩa thực sự của khả năng chịu khuyết tật trong những vật liệu này.

“Biết rằng hai chứng rối loạn cạnh tranh này đang tác động lẫn nhau, chúng ta có thể nghĩ về cách chúng ta điều chỉnh hiệu quả một chứng bệnh để giảm thiểu tác động của chứng bệnh kia theo cách có lợi nhất.”

Miguel Anaya, Nghiên cứu viên của Học viện Kỹ thuật Hoàng gia tại Khoa Hóa học của Cambridge cho biết: “Về tính mới của phương pháp thử nghiệm, chúng tôi đã tuân theo chiến lược hiển vi đa phương thức tương ứng, nhưng không chỉ vậy, mỗi kỹ thuật độc lập đều vượt trội. Kỹ thuật và Công nghệ sinh học

“Chúng tôi đã hình dung và đưa ra lý do tại sao chúng tôi có thể gọi những vật liệu này là vật liệu chịu được khuyết tật. Phương pháp luận này cho phép các tuyến mới tối ưu hóa chúng ở quy mô nano để cuối cùng, hoạt động tốt hơn cho một ứng dụng được nhắm mục tiêu. Bây giờ, chúng ta có thể xem xét các loại perovskite khác không chỉ tốt cho pin mặt trời mà còn tốt cho đèn LED hoặc máy dò và hiểu nguyên lý hoạt động của chúng.

“Quan trọng hơn nữa, bộ công cụ thu nhận mà chúng tôi đã phát triển trong công trình này có thể được mở rộng để nghiên cứu bất kỳ vật liệu quang điện tử nào khác, một thứ có thể rất được cộng đồng khoa học vật liệu quan tâm.”

Sam Stranks, Trợ lý Giáo sư Đại học về Năng lượng tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Công nghệ Sinh học của Cambridge cho biết: “Thông qua những hình dung này, giờ đây chúng ta hiểu rõ hơn nhiều về cảnh quan kích thước nano trong các chất bán dẫn hấp dẫn này – tốt, xấu và xấu.

“Những kết quả này giải thích cách tối ưu hóa thực nghiệm của những vật liệu này theo hiện trường đã thúc đẩy các perovskite thành phần hỗn hợp này đạt được hiệu suất cao như vậy. Nhưng nó cũng đã tiết lộ kế hoạch thiết kế các chất bán dẫn mới có thể có các thuộc tính tương tự – nơi mà sự rối loạn có thể được khai thác để điều chỉnh hiệu suất. ”

Tham khảo: “Tính không đồng nhất hóa học ở quy mô nano chi phối phản ứng quang điện tử của pin mặt trời perovskite hợp kim” ngày 22 tháng 11 năm 2021, Nature Nanotechnology .
DOI: 10.1038 / s41565-021-01019-7

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.