Ikke-giftigt materiale viste sig at være en ultra-stærk solenergihøster

Solceller er afgørende for den grønne energiomstilling. De kan bruges ikke kun på hustage og solfarme, men også til at drive autonome køretøjer, såsom fly og satellitter. Imidlertid er solceller i øjeblikket tunge og omfangsrige, hvilket gør dem vanskelige at transportere til fjerntliggende steder uden for nettet, hvor der er meget brug for dem.

I et samarbejde ledet af Imperial College London har forskere sammen med forskere fra Cambridge, UCL, Oxford, Helmholtz-Zentrum Berlin i Tyskland og andre produceret materialer, der kan absorbere sammenlignelige niveauer af sollys som konventionelle siliciumsolceller, men med 10.000 gange lavere tykkelse.

Materialet er natriumbismuthsulfid (NaBiS₂ ), som dyrkes som nanokrystaller og deponeres fra opløsning for at lave film med en tykkelse på 30 nanometer. NaBiS₂ består af ikke-toksiske elementer, der er tilstrækkeligt rigelige i jordskorpen til kommercielt brug. For eksempel bruges bismuth-baserede forbindelser som en ikke-toksisk blyerstatning i lodde eller i håndkøbsmedicin til mave.

Yi-Teng Huang, Ph.D. studerende ved University of Cambridge og med-førsteforfatter, kommenterede, at de "har fundet et materiale, der absorberer lys stærkere end konventionelle solcelleteknologier og kan udskrives fra en blæk. Denne teknologi har potentiale til at lave lette solceller, som kan let at transportere eller bruges i rumfartsapplikationer."

Fordele ved lidelse og natrium

Kritiske faktorer for den stærke lysabsorption er virkningerne af uorden og natriums rolle.

Natrium- og bismuthionerne i NaBiS₂ har lignende størrelser, hvilket betyder, at de i stedet for at besætte forskellige krystallografiske steder (ordnede), optager det samme sted (uordnet). Som et resultat ændres krystalstrukturen til stensalt, som ligner bordsalt. Natrium og vismut er imidlertid ikke ensartet fordelt i materialet, og denne (u)homogenitet af uorden blandt disse ioner har en signifikant effekt på absorptionsstyrken.

Lignende effekter blev fundet i nyere arbejde med AgBiS₂ , men NaBiS₂ har en stærkere og skarpere begyndelse i lysabsorption. Dette skyldes, at natrium, i modsætning til sølv, ikke bidrager til de elektroniske tilstande omkring halvlederens båndgab. Som et resultat er der en højere koncentration af elektroniske tilstande til rådighed for lysabsorption.

Seán Kavanagh, co-first forfatter og Ph.D. studerende i forskningsgrupperne hos Prof Aron Walsh i Institut for Materialer ved Imperial og Prof David Scanlon ved UCL, kommenterede, at "uorden længe har været set som solcellernes fjende. Kendt for at dræbe effektiviteten i konventionelle solmaterialer som silicium ( Si), cadmiumtellurid (CdTe) og galliumarsenid (GaAs), har forskere typisk fokuseret på at undgå det for enhver pris. Dette arbejde viser sammen med andre nyere undersøgelser fra vores og andre grupper, at det ikke nødvendigvis er tilfældet."

"Hvis vi snarere kan forstå og kontrollere denne lidelse, kan den præsentere et kraftfuldt værktøj til at tune materialeegenskaber og give rekordstor ydeevne i en lang række applikationer, ikke kun solceller, men også LED'er og termoelektrik, for eksempel. Det er en spændende udsigt til materialeforskning."

Zoomer ind på en billiontedel af et sekund

Forskerne fandt også ud af, at lidelse har en betydelig og usædvanlig effekt på transporten af ​​fotogenererede ladninger i materialet. Dette blev undersøgt ved hjælp af spektroskopiske teknikker, der sonderer processer, der finder sted ned til en trilliontedel af et sekund (picosecond), samt beregningsmodellering.

Disse undersøgelser viste, at en inhomogen fordeling af natrium- og bismuthioner resulterer i, at der dannes lokaliserede elektroniske tilstande, som hurtigt fanger ladninger. Disse ladninger lever i disse tilstande i snesevis af mikrosekunder, hvilket er mindst 100 gange længere end i andre nye halvledere. Ladningerne er dog fanget i disse tilstande og kan kun bevæge sig ved at hoppe mellem stater, hvilket i sidste ende begrænser deres evne til at bevæge sig og blive udvundet som elektricitet.

Usædvanligt fandt forskere også, at atomare defekter spiller en ubetydelig rolle i NaBiS₂ , fordi transporten af ​​ladninger er domineret af virkningerne af disse lokaliserede stater. Disse resultater viser derfor vigtigheden af ​​at kontrollere graden af ​​uorden og forstå indflydelsen på de elektroniske tilstande i materialer.

Forskere fandt også NaBiS₂ at være stabile i luften i hele varigheden af ​​deres 11-måneders test uden indkapsling påkrævet, hvilket er i skarp kontrast til andre nye fotovoltaiske materialer, såsom bly-halogenid perovskites. Dette antyder den langsigtede holdbarhed af materialet i enheder, hvilket er et nøglekrav til kommercielle solceller.

Mange nye muligheder

Forskere forestiller sig, at disse resultater vil vække større interesse for NaBiS₂ og lignende materialer, især med hensyn til at forstå rollen af ​​kationforstyrrelser og interaktionerne mellem ladninger og krystalgitteret.

Dr. Robert Hoye, lektor i afdelingen for materialer ved Imperial College London og tilsvarende forfatter på papiret, kommenterede, at "disse er meget spændende resultater, der åbner op for nye veje til at optimere egenskaberne af solenergihøstere. NaBiS₂ tilhører en spændende familie af materialer, og vi håber, at den nye indsigt, der genereres i vores arbejde, vil guide opdagelsen og udvælgelsen af ​​en ny generation af effektive og omkostningseffektive fotoaktive forbindelser." + Udforsk yderligere

Uorganiske nanokrystaller, der er udviklet af lidelser, sætter en ny effektivitetsrekord for ultratynde solceller