Videnskab
 science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

Nyt paradigme for solcellekonstruktion demonstreret

Dette er en illustration af en pervoskitkrystal, som Penn og Drexel-forskere fremstillede for at teste den "bulk" fotovoltaiske effekt for synligt lys. Krystallen er en sammensætning af kaliumniobat og bariumnikkelniobat. De blå kugler er kaliumatomer; grønne kugler er barium atomer. Oktaedrene har iltatomer på deres hjørner, og deres farver angiver, hvilket andet metalatom der er indeni:orange indeholder niob og grå indeholder nikkel. Målet med forskningen var at få de rigtige forhold mellem disse atomer i den endelige krystal, da produktet skulle kunne absorbere synligt lys, men forblive polært, så energien fra lyset kunne flytte elektroner og generere elektricitet. Kredit:Felice Macera, University of Pennsylvania

(Phys.org) — For solpaneler, vride hver dråbe energi fra så mange fotoner som muligt er bydende nødvendigt. Dette mål har sendt kemi, materialevidenskab og elektronikingeniørforskere på en søgen efter at øge energiabsorptionseffektiviteten af ​​fotovoltaiske enheder, men eksisterende teknikker løber nu op mod grænser fastsat af fysikkens love.

Nu, forskere fra University of Pennsylvania og Drexel University har eksperimentelt demonstreret et nyt paradigme for solcellekonstruktion, som i sidste ende kan gøre dem billigere, lettere at fremstille og mere effektiv til at høste energi fra solen.

Undersøgelsen blev ledet af professor Andrew M. Rappe og forskningsspecialist Ilya Grinberg fra Institut for Kemi på Penns School of Arts and Sciences, sammen med formand Peter K. Davies fra Institut for Materialevidenskab og Teknik på School of Engineering and Applied Science, og professor Jonathan E. Spanier, fra Drexels afdeling for materialevidenskab og teknik.

Det blev offentliggjort i tidsskriftet Natur .

Eksisterende solceller fungerer alle på den samme grundlæggende måde:de absorberer lys, som exciterer elektroner og får dem til at flyde i en bestemt retning. Denne strøm af elektroner er elektrisk strøm. Men for at etablere en konsekvent retning af deres bevægelse, eller polaritet, solceller skal laves af to materialer. Når en exciteret elektron krydser grænsefladen fra det materiale, der absorberer lyset, til det materiale, der vil lede strømmen, den kan ikke krydse tilbage, giver det en retning.

"Der er en lille kategori af materialer, imidlertid, at når du skinner lys på dem, elektronen starter i en bestemt retning uden at skulle krydse fra et materiale til et andet, " sagde Rappe. "Vi kalder dette 'bulk' fotovoltaiske effekt, snarere end den 'grænseflade'-effekt, der sker i eksisterende solceller. Dette fænomen har været kendt siden 1970'erne, men vi laver ikke solceller på denne måde, fordi de kun er blevet demonstreret med ultraviolet lys, og det meste af energien fra solen er i det synlige og infrarøde spektrum."

At finde et materiale, der udviser den store solcelleeffekt for synligt lys, ville i høj grad forenkle solcellekonstruktionen. I øvrigt, det ville være en vej udenom en ineffektivitet, der er iboende for grænseflade -solceller, kendt som Shockley-Queisser-grænsen, hvor noget af energien fra fotoner går tabt, mens elektroner venter på at springe fra det ene materiale til det andet.

"Tænk på fotoner, der kommer fra solen, som mønter, der regner ned over dig, med de forskellige frekvenser af lys, der er som øre, nikkel, dimes og så videre. En kvalitet af dit lysabsorberende materiale kaldet dets 'båndgap' bestemmer de værdier, du kan fange, " sagde Rappe. "Shockley-Queisser-grænsen siger, at hvad end du fanger kun er så værdifuldt som den laveste pålydende, dit bandgab tillader. Hvis du vælger et materiale med en bandgap, der kan fange skiver, du kan fange skillinger, kvarte og sølvdollars, men de vil alle kun være den energi, der svarer til 10 cents værd, når du fanger dem.

"Hvis du sætter din grænse for højt, du får måske mere værdi pr. foton, men fanger færre fotoner generelt og kommer dårligere ud, end hvis du valgte en lavere pålydende værdi, "sagde han." At indstille din bandgap til kun at fange sølvdollar er som kun at kunne fange UV -lys. At indstille det til at fange kvarter er som at bevæge sig ned i det synlige spektrum. Dit udbytte er bedre, selvom du mister det meste af energien fra den UV, du får."

Da ingen kendte materialer udviste den store fotovoltaiske effekt for synligt lys, forskerholdet henvendte sig til sine materialeforskere for at udtænke, hvordan en ny kunne udformes og dens egenskaber måles.

Startede for mere end fem år siden, holdet begyndte teoretisk arbejde, plotte egenskaberne af hypotetiske nye forbindelser, der ville have en blanding af disse egenskaber. Hver forbindelse begyndte med et "modermateriale", der ville give det endelige materiale det polære aspekt af den bulk-fotovoltaiske effekt. Til forælderen, et materiale, der ville sænke forbindelsens båndgap, ville blive tilføjet i forskellige procenter. Disse to materialer ville blive malet til fine pulvere, blandet sammen og derefter opvarmet i en ovn, indtil de reagerede sammen. Den resulterende krystal ville ideelt set have strukturen som forælderen, men med elementer fra det andet materiale på nøglesteder, gør det muligt at absorbere synligt lys.

"Designudfordringen, "Sagde Davies, "var at identificere materialer, der kunne bevare deres polære egenskaber og samtidig absorbere synligt lys. De teoretiske beregninger pegede på nye familier af materialer, hvor denne ofte gensidigt udelukkende kombination af egenskaber faktisk kunne stabiliseres."

Denne struktur er noget kendt som en perovskit krystal. De fleste lysabsorberende materialer har en symmetrisk krystalstruktur, hvilket betyder, at deres atomer er arrangeret i gentagne mønstre opad, ned, venstre, ret, Forside og bagside. Denne kvalitet gør disse materialer ikke-polære; alle retninger "ser" ens ud fra en elektron, så der er ingen overordnet retning for dem at flyde.

En perovskitkrystal har det samme kubiske gitter af metalatomer, men inde i hver terning er en oktaeder af iltatomer, og inde i hvert oktaeder er en anden slags metalatom. Forholdet mellem disse to metalliske elementer kan få dem til at bevæge sig væk fra midten, giver retningsbestemt til strukturen og gør den polær.

"Alt det gode polar, eller ferroelektrisk, materialer har denne krystalstruktur, "Rappe sagde." Det virker meget kompliceret, men det sker hele tiden i naturen, når man har et materiale med to metaller og ilt. Det er ikke noget, vi selv skulle bygge."

Efter adskillige mislykkede forsøg på fysisk at producere de specifikke perovskitkrystaller, de havde teoretiseret, forskerne havde succes med en kombination af kaliumniobat, forælderen, polært materiale, og barium nikkel niobat, hvilket bidrager til det endelige produkts båndgab.

Forskerne brugte røntgenkrystallografi og Raman-spredningsspektroskopi for at sikre, at de havde produceret den krystalstruktur og symmetri, de havde til hensigt. De undersøgte også dens omskiftelige polaritet og båndgab, viser, at de faktisk kunne producere en bulk solcelleeffekt med synligt lys, åbner muligheden for at bryde Shockley-Queisser-grænsen.

I øvrigt, evnen til at justere det endelige produkts båndgab via procentdelen af ​​bariumnikkelniobat tilføjer endnu en potentiel fordel i forhold til grænsefladesolceller.

"Forældrenes båndgab er i UV-området, "Spanier sagde, "men tilsætning af kun 10 procent af bariumnikkelniobaten flytter båndgabet ind i det synlige område og tæt på den ønskede værdi for effektiv solenergiomdannelse. Så det er et levedygtigt materiale til at begynde med, og båndgabet fortsætter også med at variere gennem det synlige område, efterhånden som vi tilføjer flere, hvilket er en anden meget nyttig egenskab."

En anden måde at komme uden om den ineffektivitet, som Shockley-Queisser-grænsen pålægger i grænseflade-solceller, er effektivt at stable flere solceller med forskellige båndgange oven på hinanden. Disse multi-junction solceller har et toplag med et højt båndgab, som fanger de mest værdifulde fotoner og lader de mindre værdifulde passere igennem. Efterfølgende lag har lavere og lavere båndgab, få mest muligt energi ud af hver foton, men øger den samlede kompleksitet og omkostningerne ved solcellen.

"Familien af ​​materialer, vi har lavet med den bulk-fotovoltaiske effekt, går gennem hele solspektret, " sagde Rappe. "Så vi kunne dyrke ét materiale, men forsigtigt ændre sammensætningen, mens vi vokser, resulterer i et enkelt materiale, der fungerer som en solcelle med flere kryds."

"Denne familie af materialer." Spanier sagde, "er så meget desto mere bemærkelsesværdig, fordi den består af billige, ikke-giftige og jordrige elementer, i modsætning til sammensatte halvledermaterialer, der i øjeblikket bruges i effektiv tyndfilm solcelleteknologi."


Varme artikler