Sel surya ultra tipis mendapat dorongan
Tech

Sel surya ultra tipis mendapat dorongan

Insinyur Rice University telah mencapai tolok ukur baru dalam desain sel surya tipis atom yang terbuat dari perovskit semikonduktor, meningkatkan efisiensinya sambil mempertahankan kemampuannya untuk bertahan terhadap lingkungan.

Laboratorium George R. Brown School of Engineering milik Aditya Mohite of Rice menemukan bahwa sinar matahari itu sendiri mengontraksikan ruang antara lapisan atom dalam perovskit 2D cukup untuk meningkatkan efisiensi fotovoltaik material hingga 18%, lompatan yang mencengangkan di bidang yang sering kali mengalami kemajuan. diukur dalam pecahan persen.

“Dalam 10 tahun, efisiensi perovskit telah meroket dari sekitar 3% menjadi lebih dari 25%,” kata Mohite. “Semikonduktor lain membutuhkan waktu sekitar 60 tahun untuk sampai ke sana. Itu sebabnya kami sangat bersemangat.”

Penelitian ini muncul di Nature Nanotechnology.

Perovskit adalah senyawa yang memiliki kisi kristal seperti kubus dan merupakan pemanen cahaya yang sangat efisien. Potensi mereka telah dikenal selama bertahun-tahun, tetapi mereka menghadirkan teka-teki: Mereka pandai mengubah sinar matahari menjadi energi, tetapi sinar matahari dan kelembaban menurunkannya.

“Sebuah teknologi sel surya diharapkan dapat bekerja selama 20 sampai 25 tahun,” kata Mohite, seorang profesor teknik kimia dan biomolekuler dan ilmu material dan nanoengineering. “Kami telah bekerja selama bertahun-tahun dan terus bekerja dengan perovskit massal yang sangat efisien tetapi tidak stabil. Sebaliknya, perovskit 2D memiliki stabilitas yang luar biasa tetapi tidak cukup efisien untuk dipasang di atap.

Sel surya ultra tipis mendapat dorongan

Lapisan dua dimensi dari senyawa perovskit adalah dasar untuk sel surya yang efisien yang mungkin tahan terhadap keausan lingkungan, tidak seperti perovskit sebelumnya. Insinyur di Rice meningkatkan efisiensi fotovoltaik perovskit 2D hingga 18%. Ilustrasi oleh Jeff Fitlow

“Masalah besarnya adalah membuat mereka efisien tanpa mengorbankan stabilitas,” katanya.

Insinyur Rice dan kolaborator mereka di universitas Purdue dan Northwestern, laboratorium nasional Departemen Energi AS Los Alamos, Argonne dan Brookhaven dan Institut Elektronik dan Teknologi Digital (INSA) di Rennes, Prancis, menemukan bahwa di perovskit 2D tertentu, sinar matahari secara efektif menyusut ruang antara atom, meningkatkan kemampuan mereka untuk membawa arus.

“Kami menemukan bahwa saat Anda menyalakan material, Anda seperti meremasnya seperti spons dan menyatukan lapisan untuk meningkatkan transportasi muatan ke arah itu,” kata Mohite. Para peneliti menemukan menempatkan lapisan kation organik antara iodida di atas dan timbal di bawah meningkatkan interaksi antar lapisan.

“Pekerjaan ini memiliki implikasi yang signifikan untuk mempelajari keadaan tereksitasi dan kuasipartikel di mana muatan positif terletak pada satu lapisan dan muatan negatif terletak di lapisan lain dan mereka dapat berbicara satu sama lain,” kata Mohite. “Ini disebut excitons, yang mungkin memiliki sifat unik.

“Efek ini telah memberi kami kesempatan untuk memahami dan menyesuaikan interaksi materi cahaya mendasar ini tanpa menciptakan heterostruktur kompleks seperti dichalcogenides logam transisi 2D bertumpuk,” katanya.

Eksperimen dikonfirmasi oleh model komputer oleh rekan-rekan di Prancis. “Studi ini menawarkan kesempatan unik untuk menggabungkan teknik simulasi ab initio yang canggih, investigasi material menggunakan fasilitas sinkrotron nasional skala besar, dan karakterisasi in-situ sel surya yang sedang beroperasi,” kata Jacky Even, profesor fisika di INSA. Makalah ini menggambarkan untuk pertama kalinya bagaimana fenomena perkolasi tiba-tiba melepaskan aliran arus muatan dalam bahan perovskit.

Kedua hasil menunjukkan bahwa setelah 10 menit di bawah simulator surya dengan intensitas satu matahari, perovskit 2D berkontraksi sebesar 0,4% sepanjang panjangnya dan sekitar 1% dari atas ke bawah. Mereka mendemonstrasikan efeknya dapat dilihat dalam 1 menit di bawah intensitas lima matahari.

“Kedengarannya tidak banyak, tetapi kontraksi 1% dalam jarak kisi ini menginduksi peningkatan besar aliran elektron,” kata mahasiswa pascasarjana Fisika Terapan Beras dan penulis utama Wenbin Li. “Penelitian kami menunjukkan peningkatan tiga kali lipat dalam konduksi elektron material.”

Pada saat yang sama, sifat kisi-kisi membuat bahan tersebut tidak mudah rusak, bahkan ketika dipanaskan hingga 80 derajat Celcius (176 derajat Fahrenheit). Para peneliti juga menemukan kisi-kisi itu dengan cepat kembali ke konfigurasi normalnya setelah lampu dimatikan.

Mahasiswa pascasarjana beras Siraj Sidhik bersiap untuk melapisi substrat dengan senyawa yang mengeras menjadi perovskit 2D. Insinyur beras telah menemukan perovskite menunjukkan janji untuk sel surya yang efisien dan kuat. Ilustrasi oleh Jeff Fitlow

“Salah satu daya tarik utama perovskit 2D adalah mereka biasanya memiliki atom organik yang bertindak sebagai penghalang kelembaban, stabil secara termal dan memecahkan masalah migrasi ion,” kata mahasiswa pascasarjana dan penulis pendamping Siraj Sidhik. “Perovskit 3D rentan terhadap panas dan ketidakstabilan cahaya, jadi para peneliti mulai menempatkan lapisan 2D di atas perovskit massal untuk melihat apakah mereka bisa mendapatkan yang terbaik dari keduanya.

“Kami pikir, mari kita pindah ke 2D saja dan membuatnya efisien,” katanya.

Untuk mengamati kontraksi material dalam tindakan, tim memanfaatkan dua fasilitas pengguna Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi (DOE): National Synchrotron Light Source II di Brookhaven National Laboratory DOE dan Advanced Photon Source (APS) di Argonne National DOE Laboratorium.

Fisikawan Argonne Joe Strzalka, salah satu penulis makalah tersebut, menggunakan sinar-X ultrabright dari APS untuk menangkap perubahan struktural yang sangat kecil pada material secara real time. Instrumen sensitif pada beamline 8-ID-E dari APS memungkinkan untuk “operando” studi, artinya studi yang dilakukan saat perangkat mengalami perubahan suhu atau lingkungan yang terkendali dalam kondisi pengoperasian normal. Dalam hal ini, Strzalka dan rekan-rekannya memaparkan bahan fotoaktif dari sel surya ke sinar matahari yang disimulasikan sambil menjaga suhu tetap konstan, dan mengamati kontraksi kecil pada tingkat atom.

Sebagai eksperimen kontrol, Strzalka dan rekan penulisnya juga membuat ruangan tetap gelap dan menaikkan suhu, mengamati efek sebaliknya — pemuaian material. Ini menunjukkan bahwa cahaya itu sendiri, bukan panas yang dihasilkannya, yang menyebabkan transformasi.

“Untuk perubahan seperti ini, penting dilakukan studi operando,” kata Strzalka. “Dengan cara yang sama seperti mekanik Anda ingin menjalankan mesin Anda untuk melihat apa yang terjadi di dalamnya, kami pada dasarnya ingin mengambil video transformasi ini, bukan hanya satu snapshot. Fasilitas seperti APS memungkinkan kami melakukan itu.”

Strzalka mencatat APS berada di tengah-tengah peningkatan besar yang akan meningkatkan kecerahan sinar-X hingga 500 kali. Ketika selesai, katanya, sinar yang lebih terang dan detektor yang lebih cepat dan lebih tajam akan meningkatkan kemampuan ilmuwan untuk melihat perubahan ini dengan lebih sensitif.

Itu bisa membantu tim Rice mengubah materi untuk kinerja yang lebih baik. “Kami berada di jalur untuk mendapatkan efisiensi lebih dari 20% dengan merekayasa kation dan antarmuka,” kata Sidhik. “Ini akan mengubah segalanya di bidang perovskit, karena kemudian orang akan mulai menggunakan perovskit 2D untuk perovskit/silikon 2D dan tandem perovskit 2D/3D, yang dapat memungkinkan efisiensi mendekati 30%. Itu akan membuatnya menarik untuk komersialisasi. ”

Sumber: Universitas Beras



Posted By : pengeluaran hk hari ini