โซลาร์เซลล์บางเฉียบ?

โซลาร์เซลล์บางเฉียบ?

เซลล์แสงอาทิตย์ที่บางเฉียบได้รับการปรับปรุง: สารประกอบ 2D perovskite มีวัสดุที่เหมาะสมในการท้าทายผลิตภัณฑ์ขนาดใหญ่

วิศวกรของมหาวิทยาลัยไรซ์บรรลุเกณฑ์มาตรฐานใหม่ในการออกแบบเซลล์แสงอาทิตย์แบบบางขนาดอะตอมซึ่งทำจากเซมิคอนดักเตอร์เพอร์รอฟสกี้ ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในขณะที่ยังคงความสามารถในการทนต่อสภาพแวดล้อม

ห้องปฏิบัติการ Aditya Mohite ของโรงเรียนวิศวกรรม George R Brown แห่งมหาวิทยาลัย Rice พบว่าแสงแดดลดช่องว่างระหว่างชั้นอะตอมใน perovskite สองมิติ เพียงพอที่จะเพิ่มประสิทธิภาพแผงเซลล์แสงอาทิตย์ของวัสดุได้มากถึง 18% ซึ่งเป็นความคืบหน้าบ่อยครั้ง . มีการก้าวกระโดดที่ยอดเยี่ยมในสนามและวัดเป็นเปอร์เซ็นต์

Mohite กล่าวว่า "ในรอบ 10 ปีประสิทธิภาพของ perovskite เพิ่มขึ้นจากประมาณ 3% เป็นมากกว่า 25%" "เซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ จะใช้เวลาประมาณ 60 ปีในการบรรลุ นั่นเป็นเหตุผลที่เราตื่นเต้นมาก"

Perovskite เป็นสารประกอบที่มีตาข่ายลูกบาศก์และเป็นตัวเก็บแสงที่มีประสิทธิภาพ ศักยภาพของพวกมันเป็นที่รู้จักมานานหลายปีแล้ว แต่พวกมันมีปัญหา: พวกมันสามารถเปลี่ยนแสงแดดเป็นพลังงานได้ แต่แสงแดดและความชื้นสามารถทำให้พวกมันเสื่อมสภาพได้

Mohite รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีและชีวโมเลกุลและวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมนาโนกล่าวว่า "เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์คาดว่าจะมีอายุการใช้งาน 20-25 ปี "เราทำงานมาหลายปีแล้วและยังคงใช้ perovskites ขนาดใหญ่ซึ่งมีประสิทธิภาพมากแต่ไม่เสถียรมาก ในทางตรงกันข้าม perovskites แบบสองมิติมีเสถียรภาพที่ดีเยี่ยมแต่ไม่มีประสิทธิภาพเพียงพอที่จะวางบนหลังคา

"ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดคือการทำให้พวกเขามีประสิทธิภาพโดยไม่กระทบต่อเสถียรภาพ"
วิศวกรของ Rice และผู้ทำงานร่วมกันจาก Purdue University และ Northwestern University, Los Alamos, Argonne และ Brookhaven จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา Department of Energy และ Institute of Electronics and Digital Technology (INSA) ในเมืองแรนส์ ประเทศฝรั่งเศส และผู้ทำงานร่วมกันพบว่าใน แสง perovskites สองมิติบางส่วนแสงแดดลดช่องว่างระหว่างอะตอมอย่างมีประสิทธิภาพเพิ่มความสามารถในการนำกระแสไฟฟ้า

“เราพบว่าเมื่อคุณจุดไฟให้กับวัสดุ คุณจะบีบมันเหมือนฟองน้ำและรวมชั้นเข้าด้วยกันเพื่อเพิ่มการถ่ายเทประจุไปในทิศทางนั้น” Mocht กล่าว นักวิจัยพบว่าการวางชั้นของไอออนบวกอินทรีย์ระหว่างไอโอไดด์ด้านบนและตะกั่วที่ด้านล่างสามารถเพิ่มปฏิสัมพันธ์ระหว่างชั้นได้

“งานนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการศึกษาสภาวะตื่นเต้นและอนุภาคควอซิพิเคิล ซึ่งมีประจุบวกชั้นหนึ่งอยู่อีกชั้นหนึ่ง และประจุลบอยู่อีกด้านหนึ่ง และพวกมันสามารถพูดคุยกันได้” Mocht กล่าว "สิ่งเหล่านี้เรียกว่า excitons และอาจมีคุณสมบัติเฉพาะตัว

"ผลกระทบนี้ช่วยให้เราเข้าใจและปรับปฏิสัมพันธ์ของสสารแสงพื้นฐานเหล่านี้โดยไม่ต้องสร้างโครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้างที่ซับซ้อน เช่น ไดคัลโคเจไนด์โลหะทรานซิชัน 2 มิติที่ซ้อนกัน" เขากล่าว

เพื่อนร่วมงานในฝรั่งเศสยืนยันการทดลองด้วยแบบจำลองคอมพิวเตอร์ Jacky Even ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ที่ INSA กล่าวว่า "งานวิจัยชิ้นนี้เป็นโอกาสพิเศษที่จะรวมเอาเทคโนโลยีการจำลอง ab initio ที่ล้ำหน้าที่สุด การวิจัยวัสดุโดยใช้สิ่งอำนวยความสะดวกซิงโครตรอนขนาดใหญ่ระดับประเทศ และการกำหนดลักษณะเฉพาะของเซลล์แสงอาทิตย์ในการดำเนินงาน รวมกัน ." "บทความนี้อธิบายเป็นครั้งแรกว่าปรากฏการณ์การรั่วซึมจะปล่อยกระแสไฟชาร์จในวัสดุ perovskite ได้อย่างไร"

ผลลัพธ์ทั้งสองแสดงให้เห็นว่าหลังจาก 10 นาทีของการสัมผัสกับเครื่องจำลองสุริยะที่ความเข้มของดวงอาทิตย์แล้ว perovskite สองมิติจะหดตัว 0.4% ตามความยาวและประมาณ 1% จากบนลงล่าง พวกเขาพิสูจน์ว่าสามารถเห็นผลได้ภายใน 1 นาทีภายใต้ความเข้มของดวงอาทิตย์ XNUMX ระดับ

Li Wenbin นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาจาก Rice และผู้เขียนร่วมกล่าวว่า "ฟังดูไม่มากนัก แต่การหดตัว 1% ของระยะห่างตาข่ายจะทำให้การไหลของอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นอย่างมาก" "การวิจัยของเราแสดงให้เห็นว่าการนำไฟฟ้าของวัสดุเพิ่มขึ้นสามเท่า"

ในเวลาเดียวกัน ธรรมชาติของคริสตัลแลตทิซทำให้วัสดุทนทานต่อการเสื่อมสภาพ แม้จะถูกความร้อนถึง 80 องศาเซลเซียส (176 องศาฟาเรนไฮต์) นักวิจัยยังพบว่าโครงตาข่ายจะคลายตัวกลับเป็นค่ามาตรฐานอย่างรวดเร็วเมื่อปิดไฟ

Siraj Sidhik นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาและผู้เขียนร่วมกล่าวว่า "หนึ่งในสิ่งดึงดูดหลักของ perovskites แบบ 2 มิติคือพวกมันมักจะมีอะตอมอินทรีย์ที่ทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันความชื้น มีความคงตัวทางความร้อน และแก้ปัญหาการย้ายถิ่นของไอออน "3D perovskites มีแนวโน้มที่จะเกิดความไม่เสถียรทางความร้อนและแสง ดังนั้นนักวิจัยจึงเริ่มวางเลเยอร์ 2D ไว้บน perovskites ขนาดใหญ่เพื่อดูว่าพวกเขาสามารถใช้ประโยชน์จากทั้งสองอย่างให้เกิดประโยชน์สูงสุดได้หรือไม่

“เราคิดว่า เรามาเปลี่ยนไปใช้ 2D กันเถอะ และทำให้มีประสิทธิภาพ” เขากล่าว

ในการสังเกตการหดตัวของวัสดุ ทีมงานได้ใช้สิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับผู้ใช้สองแห่งของสำนักงานวิทยาศาสตร์กระทรวงพลังงานสหรัฐ (DOE) ได้แก่ National Synchrotron Light Source II ของห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ และ Advanced State Laboratory of ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Argonne ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ ห้องปฏิบัติการแหล่งกำเนิดโฟตอน (APS)

นักฟิสิกส์ Argonne Joe Strzalka ผู้เขียนร่วมของหนังสือพิมพ์ฉบับนี้ใช้รังสีเอกซ์ที่สว่างเป็นพิเศษของ APS เพื่อจับภาพการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเล็กน้อยในวัสดุในแบบเรียลไทม์ เครื่องมือที่มีความละเอียดอ่อนที่ 8-ID-E ของลำแสง APS ช่วยให้สามารถศึกษา "การปฏิบัติงาน" ได้ ซึ่งหมายถึงการศึกษาที่ดำเนินการเมื่ออุปกรณ์ผ่านการควบคุมการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิหรือสภาพแวดล้อมภายใต้สภาวะการทำงานปกติ ในกรณีนี้ Strzalka และเพื่อนร่วมงานของเขาได้เปิดเผยวัสดุที่ไวต่อแสงในเซลล์แสงอาทิตย์กับแสงแดดจำลองในขณะที่รักษาอุณหภูมิให้คงที่และสังเกตการหดตัวเล็กน้อยที่ระดับอะตอม

ในการทดลองควบคุม Strzalka และผู้เขียนร่วมของเขาทำให้ห้องมืดสนิท เพิ่มอุณหภูมิ และสังเกตผลกระทบที่ตรงกันข้าม นั่นคือการขยายตัวของวัสดุ นี่แสดงให้เห็นว่าตัวแสงเอง ไม่ใช่ความร้อนที่สร้าง ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง

"สำหรับการเปลี่ยนแปลงดังกล่าว การทำวิจัยเชิงปฏิบัติการเป็นสิ่งสำคัญ" Strzalka กล่าว "เช่นเดียวกับที่ช่างของคุณต้องการใช้เครื่องยนต์ของคุณเพื่อดูว่าเกิดอะไรขึ้นในนั้น เราต้องการถ่ายวิดีโอของการแปลงนี้เป็นหลัก ไม่ใช่สแน็ปช็อตเดียว สิ่งอำนวยความสะดวกเช่น APS ช่วยให้เราทำเช่นนี้ได้"

Strzalka ชี้ให้เห็นว่า APS กำลังอยู่ระหว่างการอัพเกรดที่สำคัญเพื่อเพิ่มความสว่างของรังสีเอกซ์ได้ถึง 500 เท่า เขากล่าวว่าเมื่อสร้างเสร็จแล้ว ลำแสงที่สว่างขึ้นและเครื่องตรวจจับที่เร็วขึ้นและคมชัดขึ้นจะเพิ่มความสามารถของนักวิทยาศาสตร์ในการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ด้วยความไวที่มากขึ้น

ซึ่งจะช่วยให้ทีมข้าวปรับวัสดุให้มีประสิทธิภาพดีขึ้นได้ "เรากำลังออกแบบไอออนบวกและอินเทอร์เฟซเพื่อให้เกิดประสิทธิภาพมากกว่า 20%" สิธิกกล่าว "สิ่งนี้จะเปลี่ยนทุกอย่างในฟิลด์ perovskite เพราะจากนั้นผู้คนจะเริ่มใช้ 2D perovskite สำหรับ 2D perovskite/silicon และ 2D/3D perovskite series ซึ่งสามารถทำให้ประสิทธิภาพใกล้เคียงกับ 30% ซึ่งจะทำให้การค้าขายเป็นที่น่าสนใจ"