Perovskite Compound Efficient Solar Cell 777x517 1 2
Thông tin công nghệ

Đột phá về năng lượng mặt trời: Tế bào năng lượng mặt trời siêu mỏng sử dụng Perovskites 2D Nhận được sự thúc đẩy

Một lớp phủ hai chiều của hợp chất perovskite là cơ sở cho một pin mặt trời hiệu quả có thể chống chọi với sự hao mòn của môi trường, không giống như các loại perovskite trước đó. Các kỹ sư tại Đại học Rice đã nâng hiệu suất quang điện của perovskites 2D lên tới 18%. Tín dụng: Jeff Fitlow / Đại học Rice

Phòng thí nghiệm gạo nhận thấy hợp chất perovskite 2D có công cụ phù hợp để thách thức các sản phẩm cồng kềnh hơn.

Các kỹ sư của Đại học Rice đã đạt được một tiêu chuẩn mới trong thiết kế pin mặt trời mỏng nguyên tử làm bằng perovskite bán dẫn, nâng cao hiệu suất của chúng trong khi vẫn giữ được khả năng chống chọi với môi trường.

Phòng thí nghiệm của Aditya Mohite thuộc Trường Kỹ thuật George R. Brown của Rice đã phát hiện ra rằng bản thân ánh sáng mặt trời thu hẹp không gian giữa các lớp nguyên tử trong perovskite 2D đủ để cải thiện hiệu suất quang điện của vật liệu lên tới 18%, một bước nhảy vọt đáng kinh ngạc trong một lĩnh vực thường xuyên tiến bộ được đo bằng phần trăm của một phần trăm.

Mohite nói: “Trong 10 năm, hiệu quả của perovskites đã tăng vọt từ khoảng 3% lên hơn 25%. “Các chất bán dẫn khác đã mất khoảng 60 năm để đạt được điều đó. Đó là lý do tại sao chúng tôi rất vui mừng ”.

Nghiên cứu xuất hiện trên Nature Nanotechnology.

Perovskites là những hợp chất có mạng tinh thể hình khối giống nhau và là bộ thu ánh sáng hiệu quả cao. Tiềm năng của chúng đã được biết đến trong nhiều năm, nhưng chúng đưa ra một câu hỏi hóc búa: Chúng rất giỏi trong việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng, nhưng ánh sáng mặt trời và độ ẩm làm suy giảm chúng.

Mohite, phó giáo sư về kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học và khoa học vật liệu và kỹ thuật nano cho biết: “Công nghệ pin mặt trời dự kiến sẽ hoạt động trong 20 đến 25 năm. “Chúng tôi đã làm việc trong nhiều năm và tiếp tục làm việc với các perovskite số lượng lớn rất hiệu quả nhưng không ổn định. Ngược lại, perovskite 2D có độ ổn định cực lớn nhưng không đủ hiệu quả để đặt trên mái nhà.

Ông nói: “Vấn đề lớn là làm cho chúng hoạt động hiệu quả mà không ảnh hưởng đến sự ổn định.

Các kỹ sư Rice và cộng tác viên của họ tại các trường đại học Purdue và Northwestern, các phòng thí nghiệm quốc gia của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, Los Alamos, Argonne và Brookhaven và Viện Công nghệ Điện tử và Kỹ thuật số (INSA) ở Rennes, Pháp, đã phát hiện ra rằng trong một số perovskite 2D nhất định, ánh sáng mặt trời thu hẹp một cách hiệu quả không gian giữa các nguyên tử, cải thiện khả năng mang dòng điện của chúng.

Sinh viên tốt nghiệp Đại học Rice, Siraj Sidhik chuẩn bị quay phủ một lớp nền bằng một hợp chất đông đặc thành perovskite 2D. Các kỹ sư lúa gạo đã nhận thấy perovskite có triển vọng tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời mạnh mẽ và hiệu quả. Tín dụng: Jeff Fitlow / Đại học Rice

Mohite cho biết: “Chúng tôi nhận thấy rằng khi bạn làm sáng vật liệu, bạn sẽ bóp nó như một miếng bọt biển và tập hợp các lớp lại với nhau để tăng cường vận chuyển điện tích theo hướng đó. Các nhà nghiên cứu nhận thấy việc đặt một lớp cation hữu cơ giữa iốt ở trên cùng và chì ở dưới cùng đã tăng cường tương tác giữa các lớp.

Mohite cho biết: “Công trình này có ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu các trạng thái kích thích và các quasiparte, trong đó điện tích dương nằm trên một lớp và điện tích âm nằm trên lớp kia và chúng có thể nói chuyện với nhau”. “Chúng được gọi là exciton, có thể có những đặc tính riêng biệt.

Ông nói: “Hiệu ứng này đã cho chúng tôi cơ hội hiểu và điều chỉnh các tương tác vật chất ánh sáng cơ bản này mà không tạo ra các cấu trúc dị phức tạp như các dichalcogenides kim loại chuyển tiếp 2D xếp chồng lên nhau.

Các thí nghiệm đã được các đồng nghiệp ở Pháp xác nhận bằng mô hình máy tính. Jacky Even, giáo sư vật lý tại INSA cho biết: “Nghiên cứu này mang đến một cơ hội duy nhất để kết hợp các kỹ thuật mô phỏng tiên tiến nhất, điều tra vật liệu bằng cách sử dụng các cơ sở đồng bộ hóa quy mô lớn của quốc gia và mô tả tại chỗ của các tế bào năng lượng mặt trời đang hoạt động”. “Lần đầu tiên bài báo mô tả cách một hiện tượng thấm chảy đột ngột giải phóng dòng điện tích trong vật liệu perovskite.”

Sinh viên tốt nghiệp Đại học Rice, Wenbin Li, chuẩn bị một pin mặt trời perovskite 2D để thử nghiệm trong mô phỏng năng lượng mặt trời. Các kỹ sư lúa gạo đã tăng cường hiệu quả của các tế bào làm bằng perovskites hai chiều trong khi vẫn giữ được độ dẻo dai của chúng. Tín dụng: Jeff Fitlow / Đại học Rice

Cả hai kết quả đều cho thấy rằng sau 10 phút dưới máy mô phỏng mặt trời ở cường độ một mặt trời, các perovskite 2D co lại 0,4% dọc theo chiều dài của chúng và khoảng 1% từ trên xuống dưới. Họ đã chứng minh hiệu quả có thể được nhìn thấy trong 1 phút dưới cường độ năm mặt trời.

“Nghe có vẻ không nhiều, nhưng sự co lại 1% này trong khoảng cách mạng tạo ra sự tăng cường lớn của dòng điện tử,” Wenbin Li, sinh viên tốt nghiệp Rice và đồng tác giả chính cho biết. “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy sự gia tăng gấp ba lần độ dẫn điện tử của vật liệu.”

Đồng thời, bản chất của mạng tinh thể khiến vật liệu ít bị biến chất hơn, ngay cả khi bị nung nóng đến 80 độ C (176 độ F ). Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy mạng tinh thể nhanh chóng trở lại cấu hình bình thường sau khi đèn tắt.

“Một trong những điểm hấp dẫn chính của perovskite 2D là chúng thường có các nguyên tử hữu cơ hoạt động như rào cản đối với độ ẩm, ổn định nhiệt và giải quyết các vấn đề di chuyển ion,” nghiên cứu sinh kiêm đồng tác giả Siraj Sidhik cho biết. “Các perovskite 3D dễ bị mất ổn định về nhiệt và ánh sáng, vì vậy các nhà nghiên cứu bắt đầu đặt các lớp 2D lên trên các perovskite số lượng lớn để xem liệu chúng có thể tận dụng tốt nhất cả hai hay không.

“Chúng tôi nghĩ, hãy chỉ chuyển sang 2D và làm cho nó hiệu quả,” anh nói.

Sinh viên tốt nghiệp Đại học Rice Wenbin Li, kỹ sư hóa học và phân tử sinh học Aditya Mohite và nghiên cứu sinh Siraj Sidhik đã dẫn đầu dự án sản xuất perovskite 2D cường lực cho pin mặt trời hiệu quả. Tín dụng: Jeff Fitlow / Đại học Rice

Để quan sát sự co lại của vật chất trong hoạt động, nhóm đã sử dụng hai cơ sở sử dụng của Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng (DOE) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ: Nguồn sáng Synchrotron Quốc gia II tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven của DOE và Nguồn Photon Nâng cao (APS) tại Argonne National của DOE Phòng thí nghiệm.

Nhà vật lý Argonne Joe Strzalka, đồng tác giả của bài báo, đã sử dụng tia X siêu sáng của APS để ghi lại những thay đổi cấu trúc rất nhỏ của vật liệu trong thời gian thực. Các thiết bị nhạy cảm ở đường tia 8-ID-E của APS cho phép thực hiện các nghiên cứu “operando”, nghĩa là các nghiên cứu được tiến hành trong khi thiết bị đang trải qua những thay đổi có kiểm soát về nhiệt độ hoặc môi trường trong điều kiện hoạt động bình thường. Trong trường hợp này, Strzalka và các đồng nghiệp của ông đã cho chất quang điện từ pin mặt trời tiếp xúc với ánh sáng mặt trời mô phỏng trong khi vẫn giữ nhiệt độ không đổi, và quan sát thấy những cơn co nhỏ ở cấp độ nguyên tử.

Như một thí nghiệm đối chứng, Strzalka và các đồng tác giả của ông cũng để căn phòng tối và tăng nhiệt độ, quan sát thấy hiệu ứng ngược lại – sự giãn nở của vật liệu. Điều này cho thấy rằng chính ánh sáng, không phải nhiệt mà nó tạo ra, đã gây ra sự biến đổi.

“Đối với những thay đổi như thế này, điều quan trọng là phải học operando,” Strzalka nói. “Giống như cách thợ máy của bạn muốn chạy động cơ của bạn để xem những gì đang xảy ra bên trong nó, về cơ bản chúng tôi muốn quay một video về sự biến đổi này thay vì một ảnh chụp nhanh. Các cơ sở vật chất như APS cho phép chúng tôi làm điều đó ”.

Strzalka lưu ý rằng APS đang trong quá trình nâng cấp lớn nhằm tăng độ sáng của tia X lên tới 500 lần. Ông nói, khi hoàn thành, chùm sáng sáng hơn và máy dò nhanh hơn, sắc nét hơn sẽ cải thiện khả năng phát hiện những thay đổi này của các nhà khoa học với độ nhạy hơn nữa.

Điều đó có thể giúp nhóm Rice chỉnh sửa tài liệu để có hiệu suất tốt hơn nữa. “Chúng tôi đang trên con đường đạt được hiệu suất cao hơn 20% bằng cách thiết kế các cation và giao diện,” Sidhik nói. “Nó sẽ thay đổi mọi thứ trong lĩnh vực perovskite, bởi vì sau đó mọi người sẽ bắt đầu sử dụng perovskite 2D cho các loại perovskite / silicon và perovskite 2D / 3D, có thể cho phép hiệu quả đạt tới 30%. Điều đó sẽ khiến nó trở nên hấp dẫn để thương mại hóa. ”

Tham khảo: “Sự co lại của lớp xen kẽ được kích hoạt bằng ánh sáng trong perovskites hai chiều cho pin mặt trời hiệu suất cao” của Wenbin Li, Siraj Sidhik, Boubacar Traore, Reza Asadpour, Jin Hou, Hao Zhang, Austin Fehr, Joseph Essman, Yafei Wang, Justin M. Hoffman, Ioannis Spanopoulos, Jared J. Crochet, Esther Tsai, Joseph Strzalka, Claudine Katan, Muhammad A. Alam, Mercouri G. Kanatzidis, Jacky Even, Jean-Christophe Blancon và Aditya D. Mohite, 22 tháng 11 năm 2021, Nature Nanotechnology .
DOI: 10.1038 / s41565-021-01010-2

Đồng tác giả của bài báo là các nghiên cứu sinh Rice Jin Hou, Hao Zhang và Austin Fehr, đại học Joseph Essman, sinh viên trao đổi Yafei Wang và đồng tác giả tương ứng Jean-Christophe Blancon, một nhà khoa học cấp cao trong phòng thí nghiệm Mohite; Boubacar Traore, Claudine Katan tại INSA; Reza Asadpour và Muhammad Alam của Purdue; Justin Hoffman, Ioannis Spanopoulos và Mercouri Kanatzidis của Northwestern; Jared Crochet của Los Alamos và Esther Tsai của Brookhaven.

Văn phòng Nghiên cứu Quân đội, Viện Hàn lâm Pháp, Quỹ Khoa học Quốc gia (20-587, 1724728), Văn phòng Nghiên cứu Hải quân (N00014-20-1-2725) và Văn phòng Khoa học DOE (AC02-06CH11357) đã hỗ trợ nghiên cứu.

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.