خلايا شمسية فائقة الرقة؟

خلايا شمسية فائقة الرقة؟

تم تحسين الخلايا الشمسية الرقيقة للغاية: تحتوي مركبات البيروفسكايت ثنائية الأبعاد على المواد المناسبة لتحدي المنتجات الضخمة.

حقق المهندسون في جامعة رايس معايير جديدة في تصميم الخلايا الشمسية الرقيقة بالمقياس الذري المصنوعة من أشباه الموصلات البيروفسكايت ، مما زاد من كفاءتها مع الحفاظ على قدرتها على تحمل البيئة.

وجد مختبر Aditya Mohite بكلية جورج آر براون للهندسة بجامعة رايس أن ضوء الشمس يقلص المسافة بين الطبقات الذرية في بيروفسكايت ثنائي الأبعاد ، وهو ما يكفي لزيادة الكفاءة الكهروضوئية للمادة بنسبة تصل إلى 18٪ ، وهو تقدم متكرر. . تم تحقيق قفزة رائعة في الميدان وتم قياسها بالنسب المئوية.

قال موهيتي: "في 10 سنوات ، ارتفعت كفاءة البيروفسكايت من حوالي 3٪ إلى أكثر من 25٪". "سيستغرق إنجاز أشباه الموصلات الأخرى حوالي 60 عامًا. لهذا السبب نحن متحمسون جدًا."

البيروفسكايت مركب ذو شعرية مكعبة وهو جامع ضوء فعال. تُعرف إمكاناتهم لسنوات عديدة ، لكن لديهم مشكلة: يمكنهم تحويل ضوء الشمس إلى طاقة ، لكن ضوء الشمس والرطوبة يمكن أن تحللهم.

قال موهيت ، الأستاذ المشارك في الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية وعلوم المواد والهندسة النانوية: "من المتوقع أن تستمر تكنولوجيا الخلايا الشمسية من 20 إلى 25 عامًا". "نحن نعمل منذ سنوات عديدة ونستمر في استخدام البيروفسكايت الكبير الذي يتميز بفاعلية كبيرة ولكنه غير مستقر للغاية. وعلى النقيض من ذلك ، تتمتع البيروفسكايت ثنائي الأبعاد باستقرار ممتاز ولكنها ليست فعالة بما يكفي لتوضع على السطح.

"أكبر مشكلة هي جعلها فعالة دون المساومة على الاستقرار."
وجد مهندسو رايس والمتعاونون معهم من جامعة بوردو وجامعة نورث وسترن ولوس ألاموس وأرجون وبروكهافن من المختبر الوطني لوزارة الطاقة الأمريكية ومعهد الإلكترونيات والتكنولوجيا الرقمية (INSA) في رين بفرنسا ومعاونوهم أنه في بعض البيروفسكايت ثنائي الأبعاد ، يعمل ضوء الشمس بشكل فعال على تقليص المسافة بين الذرات ، مما يزيد من قدرتها على حمل التيار الكهربائي.

قال موخت: "وجدنا أنه عندما تشعل المادة ، فإنك تضغط عليها مثل الإسفنج وتجمع الطبقات معًا لتعزيز نقل الشحنة في هذا الاتجاه". وجد الباحثون أن وضع طبقة من الكاتيونات العضوية بين اليوديد في الأعلى والرصاص في الأسفل يمكن أن يعزز التفاعل بين الطبقات.

قال Mocht "هذا العمل له أهمية كبيرة لدراسة الحالات المثارة وأشباه الجسيمات ، حيث توجد طبقة واحدة من الشحنة الموجبة على الأخرى ، والشحنة السالبة على الأخرى ، ويمكنهما التحدث مع بعضهما البعض". "تسمى هذه الأكسيتونات ، وقد يكون لها خصائص فريدة.

وقال: "هذا التأثير يسمح لنا بفهم وتعديل تفاعلات المادة الخفيفة الأساسية هذه دون إنشاء بنى غير متجانسة معقدة مثل ثنائي كالكوجينيدات معدنية انتقالية ثنائية الأبعاد".

أكد زملاء في فرنسا التجربة بنموذج حاسوبي. قال جاكي إيفن ، أستاذ الفيزياء في INSA: "يوفر هذا البحث فرصة فريدة للجمع بين أكثر تقنيات محاكاة ab initio تقدمًا ، وأبحاث المواد باستخدام مرافق السنكروترون الوطنية واسعة النطاق ، والتوصيف في الموقع للخلايا الشمسية قيد التشغيل. . " "تصف هذه الورقة لأول مرة كيف تطلق ظاهرة التسرب فجأة تيار الشحن في مادة البيروفسكايت."

تظهر كلا النتيجتين أنه بعد 10 دقائق من التعرض لمحاكي الطاقة الشمسية بكثافة شمسية ، يتقلص البيروفسكايت ثنائي الأبعاد بنسبة 0.4٪ على طول طوله وحوالي 1٪ من أعلى إلى أسفل. لقد أثبتوا أن التأثير يمكن رؤيته في غضون دقيقة واحدة تحت خمس شدة للشمس.

قال لي وينبين ، طالب دراسات عليا في رايس والمؤلف الرئيسي المشارك: "لا يبدو الأمر كثيرًا ، لكن انكماشًا بنسبة 1٪ في التباعد الشبكي سيؤدي إلى زيادة كبيرة في تدفق الإلكترون". "يظهر بحثنا أن التوصيل الإلكتروني للمادة قد تضاعف ثلاث مرات."

في الوقت نفسه ، تجعل طبيعة الشبكة البلورية المادة مقاومة للتدهور ، حتى عند تسخينها إلى 80 درجة مئوية (176 درجة فهرنهايت). ووجد الباحثون أيضًا أن الشبكة تسترخي بسرعة إلى شكلها القياسي بمجرد إطفاء الأنوار.

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 لعدم الاستقرار الحراري والضوء ، لذلك بدأ الباحثون في وضع طبقات ثنائية الأبعاد فوق البيروفسكايت الهائل لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم تحقيق أقصى استفادة من الاثنين.

قال: "نعتقد ، دعونا ننتقل فقط إلى 2D ونجعلها فعالة".

لمراقبة انكماش المواد ، استخدم الفريق منشأتين مستخدمين تابعين لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE): مصدر ضوء السنكروترون الوطني الثاني لمختبر Brookhaven الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية ومختبر الدولة المتقدم في مختبر أرغون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية. مختبر مصدر الفوتون (APS).

يستخدم عالم الفيزياء في Argonne Joe Strzalka ، المؤلف المشارك للورقة ، الأشعة السينية فائقة السطوع من APS لالتقاط التغييرات الهيكلية الصغيرة في المواد في الوقت الفعلي. تسمح الأداة الحساسة الموجودة في 8-ID-E لخط حزمة APS بإجراء دراسات "تشغيلية" ، مما يعني أن الدراسات التي يتم إجراؤها عندما يخضع الجهاز لتغيرات خاضعة للتحكم في درجة الحرارة أو البيئة في ظل ظروف التشغيل العادية. في هذه الحالة ، قام Strzalka وزملاؤه بتعريض المادة الحساسة للضوء في الخلية الشمسية لمحاكاة لأشعة الشمس مع الحفاظ على درجة الحرارة ثابتة ولاحظوا تقلصات صغيرة على المستوى الذري.

كتجربة ضابطة ، أبقى Strzalka وزملاؤه الغرفة مظلمة ، وزادوا درجة الحرارة ، ولاحظوا التأثير المعاكس - تمدد المادة. يشير هذا إلى أن الضوء نفسه ، وليس الحرارة التي يولدها ، هو الذي تسبب في التحول.

وقال سترزالكا: "بالنسبة لمثل هذه التغييرات ، من المهم إجراء بحث ميداني". "تمامًا مثلما يريد الميكانيكي الخاص بك تشغيل محركك لمعرفة ما يحدث فيه ، نريد بشكل أساسي التقاط مقطع فيديو لهذا التحويل ، وليس لقطة واحدة. تتيح لنا المرافق مثل APS القيام بذلك."

وأشار Strzalka إلى أن APS تخضع لعملية ترقية كبيرة لزيادة سطوع أشعة X الخاصة بها بما يصل إلى 500 مرة. وقال إنه عند اكتماله ، ستزيد الحزم الأكثر إشراقًا وكاشفات الأسرع والأكثر حدة من قدرة العلماء على اكتشاف هذه التغييرات بحساسية أكبر.

يمكن أن يساعد هذا فريق رايس على تعديل المواد للحصول على أداء أفضل. قال صديق "نحن نصمم الكاتيونات والواجهات لتحقيق كفاءات أكثر من 20٪". "سيؤدي هذا إلى تغيير كل شيء في مجال البيروفسكايت لأنه بعد ذلك سيبدأ الناس في استخدام بيروفسكايت ثنائي الأبعاد لسلسلة بيروفسكايت / سيليكون ثنائية الأبعاد وثنائية الأبعاد / ثلاثية الأبعاد من البيروفسكايت ، والتي يمكن أن تقرب الكفاءة من 2٪. وهذا سيجعل تسويقها أمرًا جذابًا."