Ingeniører opdager blyfri perovskit halvleder til solceller ved hjælp af dataanalyse, supercomputere

Solpanelinstallationer er stigende i USA, med mere end 2 millioner nye installationer i begyndelsen af ​​2019, det mest nogensinde registreret i et første kvartal, ifølge en nylig rapport fra Solar Energy Industries Association og Wood Mackenzie Power &Renewables.

For at imødekomme de stadigt stigende krav, billige og mere effektive alternativer til siliciumbaserede solceller-i øjeblikket den mest udbredte teknologi-er ønskelige. I det sidste årti, blyhalogenidperovskitter er steget som den mest lovende klasse af alternative materialer; imidlertid, de er ustabile. De indeholder bly, som er giftig og udgør potentielle sundheds- og miljøfarer som forurening af grundvand.

Et team af ingeniører ved Washington University i St. Louis har fundet, hvad de mener er en mere stabil, mindre giftig halvleder til solapplikationer ved hjælp af et nyt dobbelt perovskitoxid opdaget gennem dataanalyse og kvantemekaniske beregninger.

Deres arbejde blev offentliggjort 11. juni i Kemi af materialer .

Rohan Mishra, adjunkt i maskinteknik og materialevidenskab på McKelvey School of Engineering, ledet et tværfagligt internationalt team, der opdagede den nye halvleder, består af kalium, barium, tellur, vismut og ilt (KBaTeBiO6). Det blyfrie dobbeltperovskitoxid var et af de første 30, 000 potentielle vismutbaserede oxider. Af de 30, 000, kun omkring 25 var kendte forbindelser.

Ved hjælp af materialer informatik og kvantemekaniske beregninger på en af ​​de hurtigste supercomputere i verden, Arashdeep Singh Thind, en doktorand i Mishras laboratorium baseret på Oak Ridge National Laboratory, fandt KBaTeBiO6 at være den mest lovende ud af de 30, 000 potentielle oxider.

"Vi fandt ud af, at dette så ud til at være den mest stabile forbindelse, og at det kunne syntetiseres i laboratoriet, "Mishra sagde." Endnu vigtigere, der henviser til, at de fleste oxider har en tendens til at have et stort bånd, vi forudsagde, at den nye forbindelse ville have et lavere båndgab, som er tæt på halogenidperovskitterne, og at have rimelig gode egenskaber. "

Båndgabet er energibarrieren, som elektroner skal overvinde for at danne frie bærere, der, i forbindelse med en solcelle, kan ekstraheres for at drive en elektrisk enhed eller opbevares i et batteri til senere brug. Energien til at overvinde denne barriere leveres af sollys. De mest lovende forbindelser til solcelleanvendelser har et båndgab på ca. 1,5 eV, eller elektronvolt, Sagde Mishra.

Mishra diskuterede muligheden for at syntetisere KBaTeBiO6 med Pratim Biswas, assisterende vicekansler, Lucy &Stanley Lopata -professor og formand for Institut for Energi, Miljø- og kemiteknik. Shalinee Kavadiya, derefter en McKelvey Engineering -doktorand og nu en postdoc -forsker ved Arizona State University, kom i gang med at perfektionere opskriften.

"Shalinee brugte omkring seks måneder på at syntetisere materialet, "Sagde Mishra." Når hun var i stand til at syntetisere det, som vi havde forudsagt, den var stabil og havde et båndgab på 1,88 eV, som vi også forudsagde. "

Mishra sagde, at dette er første generations solceller, der har brug for mere finjustering af båndgabet, men det er et godt første skridt mod ikke -toksiske solceller.

"Dette viser, at vi kan gå væk fra disse blyhalogenidperovskitter, "Mishra sagde." Dette åbner et virkelig stort rum for design af halvledere, ikke kun til solcelle applikationer, men også til andre halvleder applikationer, f.eks. LCD -skærme. "

Næste, holdet vil undersøge eventuelle defekters rolle i denne nye halvleder og se til mere avancerede synteseteknikker, herunder brug af aerosolteknikker.