Phòng thí nghiệm gạo phát hiện ra rằng phức hợp perovskite 2D chứa các thành phần phù hợp để thách thức các sản phẩm lớn hơn.

Các kỹ sư của Đại học Rice đã thiết lập một tiêu chuẩn mới trong việc thiết kế pin mặt trời perovskite bán dẫn mỏng nguyên tử, nâng cao hiệu suất của chúng trong khi vẫn thân thiện với môi trường.

Phòng thí nghiệm Aditya Mohite của Trường Kỹ thuật George Brown ở Rice đã phát hiện ra rằng bản thân ánh sáng mặt trời thu hẹp không gian giữa các lớp nguyên tử trong perovskite hai chiều đủ để cải thiện hiệu suất của vật liệu quang điện lên tới 18%, một bước nhảy vọt đáng kinh ngạc trong một lĩnh vực có tiến bộ thường được đo bằng phần trăm của phần trăm.

Moheti cho biết: “Trong 10 năm, hiệu suất của perovskite đã tăng từ khoảng 3% lên hơn 25%. Các chất bán dẫn khác đã mất khoảng 60 năm để đạt được điều đó. Đó là lý do tại sao chúng tôi rất vui mừng. “

Tìm kiếm xuất hiện trong Bản chất công nghệ nano.

Perovskites là các hợp chất có mạng tinh thể giống như khối lập phương và là máy thu hoạch quang học hiệu quả cao. Tiềm năng của chúng đã được biết đến trong nhiều năm, nhưng chúng có một vấn đề nan giải: Chúng rất giỏi trong việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng, nhưng ánh sáng mặt trời và độ ẩm làm suy giảm chúng.

Mohit, phó giáo sư về kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học, khoa học vật liệu và kỹ thuật nano cho biết: “Công nghệ pin mặt trời dự kiến ​​sẽ hoạt động trong 20 đến 25 năm. “Chúng tôi đã làm việc trong nhiều năm và tiếp tục làm việc với số lượng lớn perovskite hiệu quả cao nhưng không ổn định. Ngược lại, perovskite 2D có độ ổn định khủng khiếp nhưng không đủ hiệu quả để đặt trên một bề mặt.

Ông nói: “Vấn đề lớn là làm cho nó hiệu quả mà không ảnh hưởng đến sự ổn định.

Các kỹ sư và cộng tác viên Rice tại Đại học Purdue và Tây Bắc, Phòng thí nghiệm quốc gia của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ Los Alamos, Argonne và Brookhaven, và Viện Công nghệ Điện tử và Kỹ thuật số (INSA) ở Rennes, Pháp, đã phát hiện ra rằng trong một số perovskite hai chiều, ánh sáng mặt trời bị giảm hiệu quả. Khoảng cách giữa các nguyên tử, cải thiện khả năng mang dòng điện của chúng.

Mohit cho biết: “Chúng tôi phát hiện ra rằng khi bạn thắp sáng vật liệu, bạn sẽ nén nó giống như một miếng bọt biển và kết hợp các lớp lại với nhau để tăng cường sự truyền điện tích theo hướng đó. Các nhà nghiên cứu nhận thấy các cation hữu cơ phân lớp giữa iốt ở trên cùng và thúc đẩy sự tương tác được cải thiện giữa các lớp ở dưới cùng.

Mohit cho biết: “Công trình này có ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu các trạng thái kích thích và các quasiparte, trong đó điện tích dương trên một lớp và điện tích âm ở lớp khác có thể nói chuyện với nhau. “Chúng được gọi là exciton, có thể có những đặc tính riêng biệt.

Ông nói: “Hiệu ứng này đã cho chúng tôi cơ hội hiểu và điều chỉnh các tương tác vật chất ánh sáng cơ bản này mà không tạo ra các cấu trúc không đồng nhất phức tạp như các dichalcogenides kim loại chuyển tiếp hai chiều.

Các thí nghiệm đã được các đồng nghiệp ở Pháp xác nhận bằng mô hình máy tính. Jackie Even, giáo sư vật lý tại INSA cho biết: “Nghiên cứu này đã mang đến một cơ hội duy nhất để kết hợp các kỹ thuật mô phỏng hiện đại, điều tra vật lý bằng cách sử dụng các cơ sở đồng bộ hóa quy mô lớn của quốc gia và mô tả tại chỗ của các tế bào năng lượng mặt trời đang hoạt động”. “Bài báo mô tả lần đầu tiên hiện tượng lọc đột ngột kích hoạt dòng điện tích trong vật liệu perovskite như thế nào.”

Cả hai kết quả đều cho thấy rằng sau 10 phút dưới một mô phỏng mặt trời với mật độ một mặt trời, perovskite hai chiều thu nhỏ 0,4% về chiều dài và khoảng 1% từ trên xuống dưới. Họ đã chỉ ra rằng hiệu ứng có thể được nhìn thấy trong một phút dưới cường độ của mặt trời thứ năm.

Wenbin Lee, một nghiên cứu sinh tại Rice và là đồng tác giả, cho biết: “Trông có vẻ không nhiều, nhưng sự co lại 1% này trong khoảng cách mạng dẫn đến sự tăng cường đáng kể của dòng electron,” Wenbin Lee, một nghiên cứu sinh tại Rice và đồng tác giả chính cho biết. “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy độ dẫn điện tử của vật liệu tăng gấp ba lần.”

Đồng thời, bản chất của lưới giúp vật liệu ít bị hư hại hơn, ngay cả khi bị nung nóng đến 80 độ Độ C (176 độ NS). Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng mạng tinh thể nhanh chóng trở lại hình dạng bình thường sau khi ánh sáng tắt.

“Một trong những điểm hấp dẫn chính của perovskite 2D là chúng thường chứa các nguyên tử hữu cơ hoạt động như rào cản độ ẩm, ổn định nhiệt và giải quyết các vấn đề về sự di chuyển của ion,” Siraj Siddik, một nghiên cứu sinh và đồng tác giả cho biết. “Các perovskite 3D có khả năng chịu nhiệt và không ổn định ánh sáng, vì vậy các nhà nghiên cứu bắt đầu xếp các lớp 2D lên trên perovskite để xem liệu chúng có thể đạt được hiệu quả tốt nhất trong hai loại này hay không.

“Chúng tôi nghĩ,” Hãy chỉ sử dụng 2D và làm cho nó hoạt động, “anh ấy nói.

Để theo dõi sự co lại của vật liệu khi hoạt động, nhóm đã sử dụng hai cơ sở sử dụng của Văn phòng Khoa học (DOE) Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) Văn phòng Khoa học: Nguồn sáng Synchrotron Quốc gia II tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven của Bộ Năng lượng và Nguồn Photon nâng cao (APS) tại Argonne National của Bộ Năng lượng. Phòng thí nghiệm.

Nhà vật lý Argonne Joe Strzalka, đồng tác giả của bài báo, đã sử dụng tia X siêu sáng của APS để ghi lại những thay đổi cấu trúc nhỏ trong vật liệu trong thời gian thực. Các thiết bị nhạy cảm trong Beamline 8-ID-E cho phép APS thực hiện các nghiên cứu “operando”, tức là những nghiên cứu được tiến hành trong khi thiết bị đang trải qua những thay đổi có kiểm soát về nhiệt độ hoặc môi trường trong điều kiện hoạt động bình thường. Trong trường hợp này, Strzalka và các đồng nghiệp đã cho chất quang điện từ pin mặt trời mô phỏng ánh sáng mặt trời trong khi giữ nhiệt độ không đổi, và họ đã quan sát thấy những cơn co thắt nhỏ ở cấp độ nguyên tử.

Như một thí nghiệm đối chứng, Strzalka và các đồng nghiệp của ông cũng giữ phòng tối và tăng nhiệt độ, nhận thấy tác dụng ngược lại – sự giãn nở của vật liệu. Điều này cho thấy rằng chính ánh sáng, không phải nhiệt mà nó tạo ra, đã gây ra sự biến đổi.

“Đối với những thay đổi như vậy, điều quan trọng là phải nghiên cứu opera,” Strzalka nói. “Giống như cách mà thợ máy của bạn muốn khởi động động cơ của bạn để xem những gì đang diễn ra bên trong, về cơ bản chúng tôi muốn quay video về sự thay đổi đó thay vì một cảnh quay. Các tiện ích như APS cho phép chúng tôi làm điều đó.”

Strzalka lưu ý rằng APS đang trong quá trình nâng cấp lớn sẽ tăng độ sáng tia X lên đến 500 lần. Ông cho biết, khi hoàn thiện, chùm tia sáng hơn và máy dò nhanh hơn, rõ ràng hơn sẽ cải thiện khả năng phát hiện những thay đổi này của các nhà khoa học với độ nhạy hơn.

Điều này có thể giúp nhóm Rice sửa đổi các tài liệu để có hiệu suất tốt hơn. “Chúng tôi đang đi đúng hướng để đạt được hơn 20% hiệu quả nhờ các cation và giao diện kỹ thuật”, người bạn của bạn nói. “Nó sẽ thay đổi mọi thứ trong lĩnh vực perovskite, bởi vì sau đó mọi người sẽ bắt đầu sử dụng perovskite 2D cho các từ đồng nghĩa perovskite / silicon và 2D / 3D perovskite, có thể cho phép hiệu quả gần 30%. Điều này sẽ khiến nó trở nên hấp dẫn đối với hoạt động tiếp thị”.

Tham khảo: “Sự co lại giữa các lớp được kích hoạt bằng ánh sáng trong Perovskite hai chiều cho các tế bào năng lượng mặt trời hiệu quả cao” của Wenbin Li, Siraj Seddhik, Boubacar Traore, Reza Asadpour, Jin Ho, Hao Zhang, Austin Ver, Joseph Eismann, Yaffee Wang và Justin M. . Hoffman, Ioannis Spanopoulos, Jared J. Crochet, Esther Tsai, Joseph Strzalka, Claudine Cattan, Muhammed A. Alam, Mercury J. Kanatzidis, Jackie Even, Jean-Christophe Blancon và Aditya D. Mohti, ngày 22 tháng 11 năm 2021, có sẵn tại đây. Công nghệ nano của tự nhiên.
DOI: 10.1038 / s41565-021-01010-2

Đồng tác giả của bài báo là các nghiên cứu sinh Rice Jin Ho, Hao Zhang và Austin Fehr, Joseph Eastman đại học và sinh viên trao đổi Yaffe Wang, và đồng tác giả Jean-Christophe Blancun, một nhà khoa học cấp cao trong phòng thí nghiệm của Mohit; Boubacar Traore, Claudine Cattan của INSA; Reza Asadpour và Muhammad Alam từ Bordeaux; Justin Hoffman, Ioannis Spanopoulos và Mercury Kanatzidis từ Tây Bắc; Jared được móc bởi Los Alamos và Esther Tsai bởi Brookhaven.

Văn phòng Nghiên cứu Quân đội, Viện Hàn lâm của Pháp, Quỹ Khoa học Quốc gia (20-587, 1724728), Văn phòng Nghiên cứu Hải quân (N00014-20-1-2725) và Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng (AC02-06CH11357) đã hỗ trợ nghiên cứu.