خلايا شمسية فائقة الرقة باستخدام 2D Perovskites احصل على دفعة
مركب بيروفسكايت خلية شمسية فعالة

طبقة ثنائية الأبعاد لمركب البيروفسكايت هي الأساس لخلية شمسية فعالة قد تصمد أمام التآكل البيئي ، على عكس البيروفسكايت السابق. رفع المهندسون في جامعة رايس الكفاءة الكهروضوئية للبيروفسكايت ثنائي الأبعاد بنسبة تصل إلى 18٪. الائتمان: جيف فيتلو / جامعة رايس

يجد معمل الأرز أن مركب البيروفسكايت ثنائي الأبعاد يحتوي على العناصر المناسبة لتحدي المنتجات الأكبر حجمًا.

حقق مهندسو جامعة رايس معيارًا جديدًا في تصميم الخلايا الشمسية الرقيقة ذريًا المصنوعة من أشباه الموصلات البيروفسكايت ، مما يعزز كفاءتها مع الاحتفاظ بقدرتها على مواجهة البيئة.

اكتشف مختبر Aditya Mohite التابع لكلية جورج براون للهندسة في رايس أن ضوء الشمس نفسه ينقبض المسافة بين الطبقات الذرية في البيروفسكايت ثنائي الأبعاد بما يكفي لتحسين كفاءة المواد الكهروضوئية بنسبة تصل إلى 18٪ ، وهي قفزة مذهلة في مجال غالبًا ما يكون فيه التقدم تقاس في كسور من نسبة مئوية.

قال موهيتي: “في 10 سنوات ، ارتفعت كفاءة البيروفسكايت من حوالي 3٪ إلى أكثر من 25٪”. لقد استغرقت أشباه الموصلات الأخرى حوالي 60 عامًا للوصول إلى هناك. لهذا السبب نحن متحمسون جدا. “

يظهر البحث في تقنية النانو الطبيعة.

https://www.youtube.com/watch؟v=xZGS3791MQQ

البيروفسكايت عبارة عن مركبات لها شبكات بلورية تشبه المكعبات وهي عبارة عن حصادات ضوئية عالية الكفاءة. تُعرف إمكاناتهم منذ سنوات ، لكنهم يمثلون معضلة: إنهم جيدون في تحويل ضوء الشمس إلى طاقة ، لكن ضوء الشمس والرطوبة تحللهم.

قال موهيت ، الأستاذ المشارك في الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية وعلوم المواد والهندسة النانوية: “من المتوقع أن تعمل تقنية الخلايا الشمسية لمدة 20 إلى 25 عامًا”. “لقد عملنا لسنوات عديدة ونستمر في العمل مع كميات كبيرة من البيروفسكايت التي تتميز بالكفاءة العالية ولكنها ليست مستقرة. في المقابل ، تتمتع البيروفسكايت ثنائية الأبعاد بثبات هائل ولكنها ليست فعالة بما يكفي لوضعها على سطح.

وقال: “كانت القضية الكبرى هي جعلها فعالة دون المساس بالاستقرار”.

اكتشف مهندسو رايس والمتعاونون معهم في جامعتي بوردو ونورث وسترن ، ومختبرات وزارة الطاقة الأمريكية الوطنية لوس ألاموس ، وأرجون وبروكهافن ، ومعهد الإلكترونيات والتقنيات الرقمية (INSA) في رين ، فرنسا ، أنه في بعض البيروفسكايت ثنائي الأبعاد ، يتقلص ضوء الشمس بشكل فعال. المسافة بين الذرات ، وتحسين قدرتها على حمل التيار.

سبين كوت 2D بيروفسكايت

يستعد سراج صديقك ، طالب الدراسات العليا بجامعة رايس ، لتدوير الركيزة بمركب يتجمد في مادة البيروفسكايت ثنائية الأبعاد. وجد مهندسو الأرز أن عروض البيروفسكايت واعدة بخلايا شمسية فعالة وقوية. الائتمان: جيف فيتلو / جامعة رايس

قال موهيت: “وجدنا أنك عندما تضيء المادة ، فإنك تضغط عليها نوعًا ما مثل الإسفنج وتجمع الطبقات معًا لتعزيز نقل الشحنة في هذا الاتجاه”. وجد الباحثون وضع طبقة من الكاتيونات العضوية بين اليوديد في الأعلى وقيادة التفاعلات المحسنة بين الطبقات في الأسفل.

قال موهيت: “هذا العمل له آثار مهمة على دراسة الحالات المثارة وأشباه الجسيمات التي تقع فيها شحنة موجبة على طبقة واحدة والشحنة السالبة على الأخرى ويمكنهما التحدث مع بعضهما البعض”. “تسمى هذه الأكسيتونات ، والتي قد يكون لها خصائص فريدة.

قال: “لقد منحنا هذا التأثير الفرصة لفهم وتكييف تفاعلات المادة الخفيفة الأساسية هذه دون إنشاء بنى غير متجانسة معقدة مثل مركبات ثنائي كالكوجينيدات معدنية انتقالية ثنائية الأبعاد”.

تم تأكيد التجارب بواسطة نماذج الكمبيوتر بواسطة زملاء في فرنسا. قال جاكي إيفن ، أستاذ الفيزياء في INSA: “أتاحت هذه الدراسة فرصة فريدة للجمع بين أحدث تقنيات المحاكاة في البداية ، والتحقيقات المادية باستخدام مرافق السنكروترون الوطنية واسعة النطاق والتوصيفات في الموقع للخلايا الشمسية قيد التشغيل”. “تصور الورقة لأول مرة كيف تطلق ظاهرة الترشيح فجأة تدفق تيار الشحن في مادة البيروفسكايت.”

2D بيروفسكايت الخلايا الشمسية للاختبار

يجهز وينبين لي ، طالب الدراسات العليا بجامعة رايس ، خلية شمسية ثنائية الأبعاد من مادة البيروفسكايت للاختبار في جهاز محاكاة للطاقة الشمسية. عزز مهندسو الأرز كفاءة الخلايا المصنوعة من البيروفسكايت ثنائي الأبعاد مع الحفاظ على صلابتها. الائتمان: جيف فيتلو / جامعة رايس

أظهرت كلتا النتيجتين أنه بعد 10 دقائق تحت جهاز محاكاة الطاقة الشمسية بكثافة شمس واحدة ، تقلص البيروفسكايت ثنائي الأبعاد بنسبة 0.4٪ بطولها وحوالي 1٪ من الأعلى إلى الأسفل. أظهروا أن التأثير يمكن رؤيته في دقيقة واحدة تحت كثافة الشمس الخامسة.

قال وينبين لي ، طالب الدراسات العليا في رايس والمؤلف الرئيسي المشارك ، “لا يبدو الأمر كثيرًا ، لكن هذا الانكماش بنسبة 1٪ في التباعد الشبكي يؤدي إلى تعزيز كبير لتدفق الإلكترون”. “يُظهر بحثنا زيادة بمقدار ثلاثة أضعاف في التوصيل الإلكتروني للمادة.”

في الوقت نفسه ، جعلت طبيعة الشبكة المادة أقل عرضة للتلف ، حتى عند تسخينها إلى 80 درجة درجة مئوية (176 درجة فهرنهايت). ووجد الباحثون أيضًا أن الشبكة استرخاء بسرعة إلى شكلها الطبيعي بمجرد إطفاء الضوء.

قال سراج صديقك ، طالب الدراسات العليا والمؤلف الرئيسي المشارك: “أحد عوامل الجذب الرئيسية للبيروفسكايت ثنائي الأبعاد هو أنها تحتوي عادةً على ذرات عضوية تعمل كحواجز للرطوبة ، ومستقرة حرارياً وتحل مشاكل هجرة الأيونات”. “البيروفسكايت ثلاثي الأبعاد عرضة للحرارة وعدم استقرار الضوء ، لذلك بدأ الباحثون في وضع طبقات ثنائية الأبعاد على الجزء العلوي من البيروفسكايت لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم الحصول على أفضل ما في الاثنين.

قال: “اعتقدنا ، دعونا ننتقل فقط إلى 2D فقط ونجعلها فعالة”.

وينبين لي وأديتيا موهيتي وسراج صديقك

قاد وينبين لي ، طالب الدراسات العليا بجامعة رايس ، والمهندس الكيميائي والجزيئي الحيوي أديتيا موهيت ، وطالب الدراسات العليا سراج سيدهيك ، المشروع لإنتاج بيروفسكايت ثنائي الأبعاد مقوى لخلايا شمسية فعالة. الائتمان: جيف فيتلو / جامعة رايس

لمراقبة تقلص المواد أثناء العمل ، استخدم الفريق اثنين من مرافق المستخدمين التابعة لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE): National Synchrotron Light Source II في مختبر Brookhaven الوطني التابع لوزارة الطاقة ومصدر الفوتون المتقدم (APS) في Argonne National التابع لوزارة الطاقة. معمل.

استخدم عالم الفيزياء في Argonne Joe Strzalka ، وهو مؤلف مشارك في الورقة ، الأشعة السينية فائقة السطوع لـ APS لالتقاط تغييرات هيكلية صغيرة في المادة في الوقت الفعلي. تسمح الأدوات الحساسة في Beamline 8-ID-E لـ APS بإجراء دراسات “operando” ، أي تلك التي يتم إجراؤها أثناء خضوع الجهاز لتغيرات محكومة في درجة الحرارة أو البيئة في ظل ظروف التشغيل العادية. في هذه الحالة ، قام Strzalka وزملاؤه بتعريض المادة النشطة ضوئيًا من الخلية الشمسية لمحاكاة لأشعة الشمس مع الحفاظ على درجة الحرارة ثابتة ، ولاحظوا تقلصات صغيرة على المستوى الذري.

كتجربة تحكم ، أبقى Strzalka وزملاؤه أيضًا الغرفة مظلمة ورفعوا درجة الحرارة ، ملاحظين التأثير المعاكس – توسع المادة. أظهر هذا أن الضوء نفسه ، وليس الحرارة التي يولدها ، هي التي تسببت في التحول.

قال سترزالكا: “بالنسبة لمثل هذه التغييرات ، من المهم إجراء دراسات الأوبرا”. “بنفس الطريقة التي يريد الميكانيكي الخاص بك تشغيل محركك لمعرفة ما يحدث بداخله ، نريد أساسًا أن نلتقط مقطع فيديو لهذا التحول بدلاً من لقطة واحدة. تتيح لنا المرافق مثل APS القيام بذلك “.

أشار Strzalka إلى أن APS في خضم ترقية رئيسية ستزيد من سطوع الأشعة السينية بما يصل إلى 500 مرة. وقال إنه عندما يكتمل ، ستعمل الحزم الأكثر سطوعًا وأجهزة الكشف الأسرع والأكثر وضوحًا على تحسين قدرة العلماء على اكتشاف هذه التغييرات بمزيد من الحساسية.

يمكن أن يساعد ذلك فريق رايس على تعديل المواد للحصول على أداء أفضل. قال صديقك: “نحن في طريقنا للحصول على كفاءة تزيد عن 20٪ من خلال هندسة الكاتيونات والواجهات”. “سوف يغير كل شيء في مجال البيروفسكايت ، لأنه بعد ذلك سيبدأ الناس في استخدام البيروفسكايت ثنائي الأبعاد لترادفات البيروفسكايت / السيليكون ثنائية الأبعاد وثنائية الأبعاد / ثلاثية الأبعاد من البيروفسكايت ، والتي يمكن أن تتيح كفاءة تقترب من 30٪. وهذا سيجعلها جذابة للتسويق “.

المرجع: “انكماش الطبقة البينية المُنشَّط بالضوء في البيروفسكايت ثنائي الأبعاد للخلايا الشمسية عالية الكفاءة” بقلم وينبين لي ، وسراج سيدهيك ، وبوبكر تراوري ، ورضا أسدبور ، وجين هو ، وهاو زانج ، وأوستن فير ، وجوزيف إيسمان ، ويافي وانغ ، وجوستين إم . هوفمان ، إيوانيس سبانوبولوس ، جاريد ج.كروشيه ، إستر تساي ، جوزيف سترزالكا ، كلودين كاتان ، محمد أ.ألام ، ميركوري ج.كاناتزيديس ، جاكي إيفن ، جان كريستوف بلانكون وأديتيا د. موهيتي ، 22 نوفمبر 2021 ، تقنية النانو الطبيعة.
DOI: 10.1038 / s41565-021-01010-2

المؤلفون المشاركون للورقة هم طلاب الدراسات العليا في رايس ، جين هو ، وهاو زانغ وأوستن فيهر ، والطالب الجامعي جوزيف إيسمان ، وطالب التبادل يافي وانغ ، والمؤلف المشارك جان كريستوف بلانكون ، وهو عالم كبير في مختبر موهيت ؛ بوبكر تراوري ، كلودين كاتان من INSA ؛ رضا أسدبور ومحمد علم من بوردو ؛ جاستن هوفمان ، إيوانيس سبانوبولوس وميركوري كاناتزيديس من شمال غرب ؛ جاريد كروشيه من لوس ألاموس وإستير تساي من بروكهافن.

دعم مكتب أبحاث الجيش والمعهد الأكاديمي بفرنسا والمؤسسة الوطنية للعلوم (20-587 ، 1724728) ، ومكتب البحوث البحرية (N00014-20-1-2725) ومكتب العلوم بوزارة الطاقة (AC02-06CH11357) ابحاث.

التعليقات

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *