Células solares ultrafinas?

Células solares ultrafinas?

Células solares ultrafinas melhoradas: compostos de perovskita 2D têm os materiais adequados para desafiar produtos volumosos.

Engenheiros da Rice University alcançaram novos padrões no projeto de células solares finas em escala atômica feitas de perovskitas semicondutoras, aumentando sua eficiência e mantendo sua capacidade de resistir ao meio ambiente.

O laboratório Aditya Mohite da Escola de Engenharia George R Brown da Rice University descobriu que a luz solar reduz o espaço entre as camadas atômicas em uma perovskita bidimensional, o suficiente para aumentar a eficiência fotovoltaica do material em até 18%, o que é um progresso frequente . Um salto fantástico foi alcançado em campo e medido em porcentagens.

"Em 10 anos, a eficiência da perovskita subiu de cerca de 3% para mais de 25%", disse Mohite. "Outros semicondutores levarão cerca de 60 anos para serem alcançados. É por isso que estamos tão empolgados."

A perovskita é um composto com uma rede cúbica e é um eficiente coletor de luz. Seu potencial é conhecido há muitos anos, mas eles têm um problema: eles podem converter a luz do sol em energia, mas a luz do sol e a umidade podem degradá-los.

"A tecnologia de células solares deve durar de 20 a 25 anos", disse Mohite, professor associado de engenharia química e biomolecular e ciência de materiais e nanoengenharia. "Estamos trabalhando há muitos anos e continuamos a usar grandes perovskitas que são muito eficazes, mas não muito estáveis. Em contraste, as perovskitas bidimensionais têm excelente estabilidade, mas não são eficientes o suficiente para serem colocadas no telhado.

"O maior problema é torná-los eficientes sem comprometer a estabilidade."
Os engenheiros da Rice e seus colaboradores da Purdue University e Northwestern University, Los Alamos, Argonne e Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA Laboratório Nacional, e do Instituto de Eletrônica e Tecnologia Digital (INSA) em Rennes, França, e seus colaboradores descobriram que em Em algumas perovskitas bidimensionais, a luz solar reduz efetivamente o espaço entre os átomos, aumentando sua capacidade de transportar corrente elétrica.

“Descobrimos que quando você acende o material, você o aperta como uma esponja e reúne as camadas para melhorar a transferência de carga nessa direção”, disse Mocht. Os pesquisadores descobriram que colocar uma camada de cátions orgânicos entre o iodeto na parte superior e o chumbo na parte inferior pode melhorar a interação entre as camadas.

“Este trabalho é de grande importância para o estudo de estados excitados e quasipartículas, onde uma camada de carga positiva está na outra e a carga negativa está na outra, e elas podem conversar umas com as outras”, disse Mocht. "Estes são chamados excitons e podem ter propriedades únicas.

"Esse efeito nos permite entender e ajustar essas interações básicas de luz-matéria sem criar heteroestruturas complexas, como dicalcogenetos de metais de transição 2D empilhados", disse ele.

Colegas na França confirmaram o experimento com um modelo de computador. Jacky Even, professor de física do INSA, disse: "Esta pesquisa oferece uma oportunidade única de combinar a mais avançada tecnologia de simulação ab initio, pesquisa de materiais usando instalações síncrotron nacionais de grande escala e caracterização in-situ de células solares em operação. Combine ." "Este artigo descreve pela primeira vez como o fenômeno de infiltração libera repentinamente a corrente de carga no material perovskita."

Ambos os resultados mostram que após 10 minutos de exposição ao simulador solar em intensidade solar, a perovskita bidimensional encolhe 0.4% ao longo de seu comprimento e cerca de 1% de cima para baixo. Eles provaram que o efeito pode ser visto em 1 minuto sob cinco intensidades de sol.

"Não parece muito, mas um encolhimento de 1% do espaçamento da rede causará um aumento substancial no fluxo de elétrons", disse Li Wenbin, estudante de pós-graduação em Rice e co-autor principal. "Nossa pesquisa mostra que a condução eletrônica do material triplicou."

Ao mesmo tempo, a natureza da rede cristalina torna o material resistente à degradação, mesmo quando aquecido a 80 graus Celsius (176 graus Fahrenheit). Os pesquisadores também descobriram que a treliça relaxa rapidamente de volta à sua configuração padrão quando as luzes são desligadas.

“Uma das principais atrações das perovskitas 2D é que elas geralmente têm átomos orgânicos que atuam como barreiras de umidade, são termicamente estáveis ​​e resolvem problemas de migração de íons”, disse o estudante de pós-graduação e co-autor principal Siraj Sidhik. "As perovskitas 3D são propensas à instabilidade térmica e da luz, então os pesquisadores começaram a colocar camadas 2D em cima de perovskitas maciças para ver se elas poderiam aproveitar ao máximo ambas.

"Pensamos, vamos apenas mudar para 2D e torná-lo eficiente", disse ele.

Para observar o encolhimento do material, a equipe usou duas instalações do US Department of Energy (DOE) Office of Science: o National Synchrotron Light Source II do Brookhaven National Laboratory do US Department of Energy e o Advanced State Laboratory of Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA. Laboratório de Fonte de Fótons (APS).

O físico de Argonne, Joe Strzalka, co-autor do artigo, usa os raios-X ultra-brilhantes do APS para capturar pequenas mudanças estruturais em materiais em tempo real. O instrumento sensível no 8-ID-E da linha de luz APS permite estudos "operacionais", o que significa estudos realizados quando o equipamento sofre mudanças controladas de temperatura ou ambiente em condições normais de operação. Neste caso, Strzalka e seus colegas expuseram o material fotossensível na célula solar à luz solar simulada, mantendo a temperatura constante e observaram pequenas contrações no nível atômico.

Como experimento de controle, Strzalka e seus coautores mantiveram a sala escura, aumentaram a temperatura e observaram o efeito oposto – expansão do material. Isso sugere que a própria luz, e não o calor que ela gera, causou a transformação.

"Para tais mudanças, é importante realizar pesquisas operacionais", disse Strzalka. "Assim como seu mecânico quer ligar seu motor para ver o que está acontecendo nele, nós essencialmente queremos fazer um vídeo dessa conversão, não um único instantâneo. Instalações como o APS nos permitem fazer isso."

Strzalka apontou que o APS está passando por uma atualização significativa para aumentar o brilho de seus raios-X em até 500 vezes. Ele disse que, quando estiver concluído, feixes mais brilhantes e detectores mais rápidos e nítidos aumentarão a capacidade dos cientistas de detectar essas mudanças com maior sensibilidade.

Isso pode ajudar a equipe Rice a ajustar o material para um melhor desempenho. "Estamos projetando cátions e interfaces para alcançar eficiências de mais de 20%", disse Sidhik. "Isso vai mudar tudo no campo da perovskita, porque então as pessoas vão começar a usar a perovskita 2D para as séries 2D perovskita/silício e 2D/3D perovskita, o que pode trazer a eficiência perto de 30%. Isso tornará sua comercialização atraente."