En tvådimensionell beläggning av en perovskitförening är grunden för en effektiv solcell som kan stå emot miljönötning, till skillnad från tidigare perovskiter. Ingenjörer vid Rice University höjde solcellseffektiviteten hos 2D-perovskiter med upp till 18 %. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
Rice Universitys ingenjörer har uppnått ett nytt riktmärke i designen av atomärt tunna solceller gjorda av halvledande perovskiter, vilket ökar deras effektivitet samtidigt som de behåller sin förmåga att stå emot miljön.
Laboratoriet hos Aditya Mohite från Rice George R. Brown School of Engineering upptäckte att solljuset i sig drar ihop utrymmet mellan atomskikten i 2D-perovskiter tillräckligt för att förbättra materialets solcellseffektivitet med upp till 18 %, ett häpnadsväckande steg inom ett område där framsteg ofta sker mätt i bråkdelar av en procent.
"På 10 år har effektiviteten för perovskiter skjutit i höjden från cirka 3% till över 25%," sa Mohite. "Andra halvledare har tagit ungefär 60 år att nå dit. Det är därför vi är så exalterade."
Forskningen visas i Nature Nanotechnology .
Perovskiter är föreningar som har kubliknande kristallgitter och är mycket effektiva ljusskördare. Deras potential har varit känd i flera år, men de presenterar en gåta:de är bra på att omvandla solljus till energi, men solljus och fukt försämrar dem.
"En solcellsteknik förväntas fungera i 20 till 25 år", säger Mohite, docent i kemi- och biomolekylär teknik och i materialvetenskap och nanoteknik. "Vi har arbetat i många år och fortsätter att arbeta med bulkperovskiter som är mycket effektiva men inte lika stabila. Däremot har 2D-perovskiter en enorm stabilitet men är inte tillräckligt effektiva för att sätta på ett tak.
"Den stora frågan har varit att göra dem effektiva utan att kompromissa med stabiliteten", sa han.
Rice-ingenjörerna och deras samarbetspartners vid Purdue och Northwestern-universitetet, U.S. Department of Energys nationella laboratorier Los Alamos, Argonne och Brookhaven och Institute of Electronics and Digital Technologies (INSA) i Rennes, Frankrike, upptäckte att i vissa 2D-perovskiter, krymper solljuset effektivt. utrymmet mellan atomerna, vilket förbättrar deras förmåga att bära en ström.
"Vi upptäcker att när du tänder materialet så klämmer du ihop det som en svamp och för samman lagren för att förbättra laddningstransporten i den riktningen," sa Mohite. Forskarna fann att placera ett lager av organiska katjoner mellan jodiden på toppen och bly på botten förbättrade interaktionen mellan lagren.
"Detta arbete har betydande implikationer för att studera exciterade tillstånd och kvasipartiklar där en positiv laddning ligger på ett lager och den negativa laddningen ligger på det andra och de kan prata med varandra," sa Mohite. "De här kallas excitoner, som kan ha unika egenskaper.
Rice Universitys doktorand Siraj Sidhik förbereder sig på att spinnbelägga ett substrat med en förening som stelnar till en 2D-perovskit. Risingenjörer har funnit att perovskiten visar lovande för effektiva, robusta solceller. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
"Denna effekt har gett oss möjligheten att förstå och skräddarsy dessa grundläggande ljus-materia-interaktioner utan att skapa komplexa heterostrukturer som staplade 2D-dikalkogenider av övergångsmetall", sa han.
Experiment bekräftades av datormodeller av kollegor i Frankrike. "Denna studie erbjöd en unik möjlighet att kombinera toppmoderna ab initio simuleringstekniker, materialundersökningar med hjälp av storskaliga nationella synkrotronanläggningar och in-situ karakteriseringar av solceller under drift", säger Jacky Even, professor i fysik vid INSA. "Tidningen skildrar för första gången hur ett perkolationsfenomen plötsligt frigör laddningsströmflödet i ett perovskitmaterial."
Båda resultaten visade att 2D-perovskiterna efter 10 minuter under en solsimulator med en sols intensitet drog ihop sig med 0,4 % längs sin längd och cirka 1 % uppifrån och ned. De visade att effekten kan ses på 1 minut under fem solintensiteter.
Rice University doktorand Wenbin Li förbereder en 2D perovskite solcell för testning i en solsimulator. Risingenjörer ökade effektiviteten hos celler gjorda av tvådimensionella perovskiter samtidigt som de behöll sin seghet. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
"Det låter inte som mycket, men denna sammandragning på 1% i gitteravståndet inducerar en stor förbättring av elektronflödet", säger Rice doktorand och medförfattare Wenbin Li. "Vår forskning visar en trefaldig ökning av materialets elektronledning."
Samtidigt gjorde gallrets natur materialet mindre benäget att förnedras, även när det värmdes till 80 grader Celsius (176 grader Fahrenheit). Forskarna fann också att gallret snabbt slappnade av till sin normala konfiguration när ljuset stängdes av.
"En av de största attraktionerna med 2D-perovskiter var att de vanligtvis har organiska atomer som fungerar som barriärer mot fukt, är termiskt stabila och löser jonmigreringsproblem", säger doktorand och medförfattare Siraj Sidhik. "3D-perovskiter är benägna att bli instabila i värme och ljus, så forskare började lägga 2D-lager ovanpå bulkperovskiter för att se om de kunde få ut det bästa av båda.
"Vi tänkte, låt oss bara gå över till 2D och göra det effektivt", sa han.
För att observera den materiella sammandragningen i aktion använde teamet två användaranläggningar för US Department of Energy (DOE) Office of Science:National Synchrotron Light Source II vid DOE:s Brookhaven National Laboratory och Advanced Photon Source (APS) vid DOE:s Argonne National Laboratorium.
Argonne-fysikern Joe Strzalka, en medförfattare på papperet, använde APS:s ultraljusa röntgenstrålar för att fånga små strukturella förändringar i materialet i realtid. De känsliga instrumenten vid beamline 8-ID-E av APS möjliggör "operando"-studier, vilket betyder de som utförs medan enheten genomgår kontrollerade förändringar i temperatur eller miljö under normala driftsförhållanden. I det här fallet exponerade Strzalka och hans kollegor det fotoaktiva materialet från solcellen för simulerat solljus samtidigt som temperaturen hölls konstant, och observerade små sammandragningar på atomnivå.
Som ett kontrollexperiment höll Strzalka och hans medförfattare också rummet mörkt och höjde temperaturen och observerade den motsatta effekten - en expansion av materialet. Detta visade att det var ljuset i sig, inte värmen det genererade, som orsakade omvandlingen.
"För sådana här förändringar är det viktigt att göra operandostudier," sa Strzalka. "På samma sätt som din mekaniker vill köra din motor för att se vad som händer inuti den, vill vi i huvudsak ta en video av denna transformation istället för en enda ögonblicksbild. Faciliteter som APS tillåter oss att göra det."
Strzalka noterade att APS är mitt uppe i en stor uppgradering som kommer att öka ljusstyrkan på dess röntgenstrålar med upp till 500 gånger. När det är klart, sa han, kommer de ljusare strålarna och snabbare, skarpare detektorer att förbättra forskarnas förmåga att upptäcka dessa förändringar med ännu mer känslighet.
Det kan hjälpa Rice-teamet att justera materialen för ännu bättre prestanda. "Vi är på väg att få mer än 20% effektivitet genom att konstruera katjonerna och gränssnitten," sa Sidhik. "Det skulle förändra allt inom området perovskites, för då skulle folk börja använda 2D-perovskiter för 2D-perovskite/kisel- och 2D/3D-perovskite-tandemer, vilket skulle kunna möjliggöra effektiviteter som närmar sig 30%. Det skulle göra det övertygande för kommersialisering."
Medförfattare till uppsatsen är Rice-studenterna Jin Hou, Hao Zhang och Austin Fehr, studenterna Joseph Essman, utbytesstudenten Yafei Wang och medförfattaren Jean-Christophe Blancon, en senior vetenskapsman i Mohite-labbet; Boubacar Traore, Claudine Katan på INSA; Reza Asadpour och Muhammad Alam från Purdue; Justin Hoffman, Ioannis Spanopoulos och Mercouri Kanatzidis från Northwestern; Jared Crochet från Los Alamos och Esther Tsai från Brookhaven. + Utforska vidare
