En uventet gråzone kunne give langtidsholdbare solceller

University of Wisconsin-Madison materialeingeniører har gjort en overraskende opdagelse, der dramatisk kan forbedre levetiden for solenergi-høstanordninger.

Resultaterne gav dem mulighed for at opnå den længste levetid nogensinde for en nøglekomponent i nogle typer fotovoltaiske celler kaldet den fotoelektrokemiske elektrode, som bruger sollys til at spalte vand i dets bestanddele af brint og ilt.

I et papir offentliggjort 24. juli, 2018, i forskningstidsskriftet Nano bogstaver , et team ledet af UW-Madison materialevidenskab og ingeniør Ph.D. studerende Yanhao Yu og hans rådgiver, Professor Xudong Wang, beskrev en strategi, der forlængede levetiden af ​​en fotokemisk elektrode til hele 500 timer - mere end fem gange den typiske 80-timers levetid.

Som regel, disse typer elektroder er lavet af silicium, som spalter vand godt, men er meget ustabil og nedbrydes hurtigt, når den kommer i kontakt med korrosive forhold. For at beskytte disse elektroder, ingeniører belægger ofte deres overflader tyndt.

Det er en taktik, der kun forsinker deres eventuelle sammenbrud - nogle gange efter et par dage og nogle gange inden for timer.

"Ydeevnen varierer meget, og ingen ved rigtig hvorfor. Det er et stort spørgsmål, "siger Wang, en professor i materialevidenskab og teknik ved UW-Madison.

Spændende nok, forskerne lavede ingen ændringer i belægningsmaterialet. Hellere, de øgede elektrodens levetid ved at påføre en endnu tyndere belægning af titaniumdioxid end normalt.

Med andre ord, mindre var virkelig mere.

Nøglen til denne enestående præstation var holdets opdagelse om atomstrukturen af ​​titaniumdioxid tynde film, som forskerne skaber ved hjælp af en teknik, der kaldes atomic layer deposition.

Tidligere, forskere mente, at atomerne i titaniumdioxid tynde film antog en af ​​to konformationer - enten forvrænget og uordnet i en tilstand, der omtales som "amorf, " eller fastlåst i et regelmæssigt gentaget og forudsigeligt arrangement kaldet den krystallinske form.

Afgørende, forskere var sikre på, at alle atomerne i en given tynd film opførte sig på samme måde. Krystallinsk eller amorf. Sort eller hvid. Ingen midt imellem.

Hvad Wang-kolleger fandt, imidlertid, er et gråt område:De så, at små lommer i en mellemtilstand vedvarede i de endelige belægninger - den atomare struktur i disse områder var hverken amorf eller krystallinsk. Disse mellemprodukter er aldrig blevet observeret før.

"Dette er en forkant af materialesyntese videnskab, "siger Wang." Vi tænker, at krystallisering ikke er så ligetil, som folk tror. "

At observere disse mellemprodukter var ikke nogen let bedrift. Indtast Wangs kollega Paul Voyles, en mikroskopiekspert, der udnyttede UW-Madisons unikke faciliteter til at udføre sofistikerede scanningstransmissionselektronmikroskopimålinger, gør det muligt for ham at opdage de små strukturer.

Derfra, forskerne fastslog, at disse mellemprodukter sænkede levetiden af ​​titaniumdioxid tynde film ved at føre til spidser af elektronisk strøm, der spiste små huller i de beskyttende belægninger.

At eliminere disse mellemprodukter – og dermed forlænge belægningens levetid – er lige så enkelt som at bruge en tyndere film.

Tyndere film gør det sværere for mellemprodukter at dannes i filmen, så ved at reducere tykkelsen med tre fjerdedele (fra 10 nanometer til 2,5), forskerne skabte belægninger, der varede mere end fem gange længere end traditionelle belægninger.

Og nu hvor de har opdaget disse ejendommelige strukturer, forskerne ønsker at lære mere om, hvordan de danner og påvirker amorfe filmegenskaber. Det er viden, der kunne afsløre andre strategier til at eliminere dem - som ikke kun kunne forbedre ydeevnen, siger Wang, men åbner også for nye muligheder i andre energirelaterede systemer, såsom katalysatorer, solceller og batterier.

"Disse mellemprodukter kan være noget meget vigtigt, som er blevet overset, " siger Wang. "De kunne være et kritisk aspekt, der styrer filmens egenskaber."