Ultratynde solceller får et løft:2D-perovskitforbindelse har de rigtige ting til at udfordre større produkter

Rice Universitys ingeniører har opnået en ny benchmark i designet af atomisk tynde solceller lavet af halvledende perovskiter, hvilket øger deres effektivitet, samtidig med at de bevarer deres evne til at modstå miljøet.

Laboratoriet hos Aditya Mohite fra Rice's George R. Brown School of Engineering opdagede, at sollys i sig selv trækker rummet mellem atomlag i 2D-perovskiter sammen nok til at forbedre materialets solcelleeffektivitet med op til 18 %, et forbløffende spring på et område, hvor der ofte sker fremskridt målt i brøkdele af en procent.

"På 10 år er effektiviteten af ​​perovskitter steget fra omkring 3% til over 25%," sagde Mohite. "Andre halvledere har taget omkring 60 år at nå dertil. Det er derfor, vi er så begejstrede."

Forskningen vises i Nature Nanotechnology .

Perovskites er forbindelser, der har kubelignende krystalgitter og er yderst effektive lyshøstere. Deres potentiale har været kendt i årevis, men de udgør en gåde:De er gode til at omdanne sollys til energi, men sollys og fugt nedbryder dem.

"En solcelleteknologi forventes at fungere i 20 til 25 år," sagde Mohite, lektor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab og i materialevidenskab og nanoteknik. "Vi har arbejdet i mange år og fortsætter med at arbejde med bulk-perovskiter, der er meget effektive, men ikke så stabile. I modsætning hertil har 2D-perovskiter en enorm stabilitet, men er ikke effektive nok til at lægge på et tag.

"Det store problem har været at gøre dem effektive uden at gå på kompromis med stabiliteten," sagde han.

Rice-ingeniørerne og deres samarbejdspartnere ved Purdue og Northwestern-universiteterne, U.S. Department of Energy's nationale laboratorier Los Alamos, Argonne og Brookhaven og Institute of Electronics and Digital Technologies (INSA) i Rennes, Frankrig, opdagede, at i visse 2D-perovskites, krymper sollys effektivt. mellemrummet mellem atomerne, hvilket forbedrer deres evne til at føre en strøm.

"Vi finder ud af, at når du tænder materialet, klemmer du det ligesom en svamp og bringer lagene sammen for at forbedre ladningstransporten i den retning," sagde Mohite. Forskerne fandt, at placeringen af ​​et lag af organiske kationer mellem iodidet på toppen og blyet på bunden forbedrede interaktionen mellem lagene.

"Dette arbejde har betydelige implikationer for at studere exciterede tilstande og kvasipartikler, hvor en positiv ladning ligger på det ene lag, og den negative ladning ligger på det andet, og de kan tale med hinanden," sagde Mohite. "Disse kaldes excitoner, som kan have unikke egenskaber.

"Denne effekt har givet os muligheden for at forstå og skræddersy disse grundlæggende lys-stof-interaktioner uden at skabe komplekse heterostrukturer som stablede 2D-overgangsmetal-dichalcogenider," sagde han.

Eksperimenter blev bekræftet af computermodeller af kolleger i Frankrig. "Dette studie gav en unik mulighed for at kombinere state of the art ab initio simuleringsteknikker, materialeundersøgelser ved hjælp af store nationale synkrotronfaciliteter og in-situ karakteriseringer af solceller under drift," siger Jacky Even, professor i fysik ved INSA. "Avisen skildrer for første gang, hvordan et perkolationsfænomen pludselig frigiver ladestrømmen i et perovskitmateriale."

Begge resultater viste, at 2D-perovskitterne efter 10 minutter under en solsimulator ved en-sols intensitet trak sig sammen med 0,4 % langs deres længde og omkring 1 % fra top til bund. De demonstrerede, at effekten kan ses på 1 minut under fem sols intensitet.

"Det lyder ikke af meget, men denne sammentrækning på 1% i gitterafstanden inducerer en stor forbedring af elektronstrømmen," sagde Rice kandidatstuderende og co-lead forfatter Wenbin Li. "Vores forskning viser en tredobling af materialets elektronledning."

Samtidig gjorde gitterets natur materialet mindre tilbøjeligt til at nedbryde, selv når det blev opvarmet til 80 grader Celsius (176 grader Fahrenheit). Forskerne fandt også ud af, at gitteret hurtigt blev afslappet tilbage til sin normale konfiguration, når lyset blev slukket.

"En af de største attraktioner ved 2D perovskites var, at de normalt har organiske atomer, der fungerer som barrierer for fugt, er termisk stabile og løser problemer med ionmigrering," sagde kandidatstuderende og medforfatter Siraj Sidhik. "3D-perovskiter er tilbøjelige til varme- og lysustabilitet, så forskere begyndte at lægge 2D-lag oven på bulk-perovskiter for at se, om de kunne få det bedste ud af begge dele.

"Vi tænkte, lad os bare gå over til kun 2D og gøre det effektivt," sagde han.

For at observere den materielle sammentrækning i aktion brugte holdet to US Department of Energy (DOE) Office of Science brugerfaciliteter:National Synchrotron Light Source II ved DOE's Brookhaven National Laboratory og Advanced Photon Source (APS) ved DOE's Argonne National Laboratorium.

Argonne-fysiker Joe Strzalka, en medforfatter på papiret, brugte de ultralyse røntgenstråler fra APS til at fange minimale strukturelle ændringer i materialet i realtid. De følsomme instrumenter ved beamline 8-ID-E af APS giver mulighed for "operando" undersøgelser, hvilket betyder dem, der udføres, mens enheden gennemgår kontrollerede ændringer i temperatur eller miljø under normale driftsforhold. I dette tilfælde udsatte Strzalka og hans kolleger det fotoaktive materiale fra solcellen for simuleret sollys, mens temperaturen blev konstant, og observerede små sammentrækninger på atomniveau.

Som et kontroleksperiment holdt Strzalka og hans medforfattere også rummet mørkt og hævede temperaturen og observerede den modsatte effekt - en udvidelse af materialet. Dette viste, at det var lyset i sig selv, ikke den varme, det genererede, der forårsagede transformationen.

"For ændringer som denne er det vigtigt at lave operandostudier," sagde Strzalka. "På samme måde som din mekaniker vil køre din motor for at se, hvad der sker inde i den, vil vi i det væsentlige tage en video af denne transformation i stedet for et enkelt øjebliksbillede. Faciliteter såsom APS giver os mulighed for det."