Celle solari ultrasottili?

Celle solari ultrasottili?

Celle solari ultrasottili migliorate: i composti di perovskite 2D hanno i materiali adatti per sfidare i prodotti ingombranti.

Gli ingegneri della Rice University hanno raggiunto nuovi parametri di riferimento nella progettazione di sottili celle solari su scala atomica realizzate con perovskiti semiconduttori, aumentandone l'efficienza pur mantenendo la loro capacità di resistere all'ambiente.

Il laboratorio Aditya Mohite della George R Brown School of Engineering della Rice University ha scoperto che la luce solare riduce lo spazio tra gli strati atomici in una perovskite bidimensionale, abbastanza per aumentare l'efficienza fotovoltaica del materiale fino al 18%, il che è un progresso frequente . Un salto fantastico è stato realizzato in campo e misurato in percentuale.

"In 10 anni, l'efficienza della perovskite è aumentata da circa il 3% a oltre il 25%", ha affermato Mohite. "Ci vorranno circa 60 anni per raggiungere altri semiconduttori. Ecco perché siamo così entusiasti".

La perovskite è un composto con un reticolo cubico ed è un efficiente collettore di luce. Il loro potenziale è noto da molti anni, ma hanno un problema: possono convertire la luce solare in energia, ma la luce solare e l'umidità possono degradarli.

"La tecnologia delle celle solari dovrebbe durare dai 20 ai 25 anni", ha affermato Mohite, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare, scienza dei materiali e nanoingegneria. "Lavoriamo da molti anni e continuiamo a utilizzare perovskiti di grandi dimensioni che sono molto efficaci ma non molto stabili. Al contrario, le perovskiti bidimensionali hanno un'eccellente stabilità ma non sono abbastanza efficienti per essere posizionate sul tetto.

"Il problema più grande è renderli efficienti senza compromettere la stabilità".
Gli ingegneri Rice e i loro collaboratori della Purdue University e della Northwestern University, Los Alamos, Argonne e Brookhaven del Department of Energy National Laboratory degli Stati Uniti e dell'Institute of Electronics and Digital Technology (INSA) di Rennes, in Francia, e i loro collaboratori hanno scoperto che in alcune perovskiti bidimensionali, la luce solare riduce efficacemente lo spazio tra gli atomi, aumentando la loro capacità di trasportare corrente elettrica.

"Abbiamo scoperto che quando si accende il materiale, lo si schiaccia come una spugna e si riuniscono gli strati insieme per migliorare il trasferimento di carica in quella direzione", ha detto Mocht. I ricercatori hanno scoperto che posizionare uno strato di cationi organici tra lo ioduro in alto e il piombo in basso può migliorare l'interazione tra gli strati.

"Questo lavoro è di grande importanza per lo studio degli stati eccitati e delle quasiparticelle, in cui uno strato di carica positiva è sull'altro e la carica negativa è sull'altro, e possono parlare tra loro", ha detto Mocht. "Questi sono chiamati eccitoni e possono avere proprietà uniche.

"Questo effetto ci consente di comprendere e regolare queste interazioni di base tra luce e materia senza creare eterostrutture complesse come i dicalcogenuri di metalli di transizione 2D impilati", ha affermato.

I colleghi in Francia hanno confermato l'esperimento con un modello al computer. Jacky Even, professore di fisica all'INSA, ha dichiarato: "Questa ricerca offre un'opportunità unica di combinare la più avanzata tecnologia di simulazione ab initio, la ricerca sui materiali utilizzando strutture nazionali di sincrotrone su larga scala e la caratterizzazione in situ delle celle solari in funzione. Combina ." "Questo documento descrive per la prima volta come il fenomeno delle infiltrazioni rilascia improvvisamente la corrente di carica nel materiale perovskite".

Entrambi i risultati mostrano che dopo 10 minuti di esposizione al simulatore solare a un'intensità solare, la perovskite bidimensionale si restringe dello 0.4% lungo la sua lunghezza e di circa l'1% dall'alto verso il basso. Hanno dimostrato che l'effetto poteva essere visto entro 1 minuto con cinque intensità del sole.

"Non sembra molto, ma un restringimento dell'1% della spaziatura del reticolo causerà un aumento sostanziale del flusso di elettroni", ha affermato Li Wenbin, uno studente laureato in Rice e co-autore principale. "La nostra ricerca mostra che la conduzione elettronica del materiale è triplicata".

Allo stesso tempo, la natura del reticolo cristallino rende il materiale resistente al degrado, anche se riscaldato a 80 gradi Celsius (176 gradi Fahrenheit). I ricercatori hanno anche scoperto che il reticolo si rilassa rapidamente tornando alla sua configurazione standard una volta spente le luci.

"Una delle principali attrazioni delle perovskiti 2D è che di solito hanno atomi organici che fungono da barriere all'umidità, sono termicamente stabili e risolvono i problemi di migrazione ionica", ha affermato Siraj Sidhik, studente laureato e co-autore principale. "Le perovskiti 3D sono soggette a instabilità termica e luminosa, quindi i ricercatori hanno iniziato a mettere strati 2D sopra a massicce perovskiti per vedere se potevano ottenere il massimo da entrambe.

"Pensiamo, passiamo al 2D e rendiamolo efficiente", ha detto.

Per osservare il restringimento del materiale, il team ha utilizzato due strutture per l'utente dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE): la National Synchrotron Light Source II del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e l'Advanced State Laboratory of l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Laboratorio di sorgenti fotoniche (APS).

Il fisico di Argonne Joe Strzalka, coautore dell'articolo, utilizza i raggi X ultra luminosi di APS per catturare piccoli cambiamenti strutturali nei materiali in tempo reale. Lo strumento sensibile all'8-ID-E della linea di luce APS consente studi "operativi", il che significa studi condotti quando l'apparecchiatura subisce variazioni controllate di temperatura o ambiente in normali condizioni operative. In questo caso, Strzalka e i suoi colleghi hanno esposto il materiale fotosensibile nella cella solare alla luce solare simulata mantenendo costante la temperatura e osservando minuscole contrazioni a livello atomico.

Come esperimento di controllo, Strzalka ei suoi coautori hanno mantenuto la stanza buia, aumentato la temperatura e osservato l'effetto opposto: l'espansione del materiale. Ciò suggerisce che la luce stessa, non il calore che genera, ha causato la trasformazione.

"Per tali cambiamenti, è importante condurre una ricerca operativa", ha affermato Strzalka. "Proprio come il tuo meccanico vuole far funzionare il tuo motore per vedere cosa sta succedendo, in sostanza vogliamo fare un video di questa conversione, non una singola istantanea. Strutture come APS ci consentono di farlo."

Strzalka ha sottolineato che APS sta subendo un aggiornamento significativo per aumentare la luminosità dei suoi raggi X fino a 500 volte. Ha affermato che una volta completato, fasci più luminosi e rilevatori più veloci e più nitidi aumenteranno la capacità degli scienziati di rilevare questi cambiamenti con maggiore sensibilità.

Questo può aiutare il team Rice a regolare il materiale per prestazioni migliori. "Stiamo progettando cationi e interfacce per ottenere efficienze superiori al 20%", ha affermato Sidhik. "Questo cambierà tutto nel campo della perovskite perché le persone inizieranno a utilizzare la perovskite 2D per le serie di perovskite/silicio 2D e perovskite 2D/3D, che possono portare l'efficienza vicino al 30%. Ciò renderà la sua commercializzazione attraente".