Atomični filmovi mogu pomoći objasniti zašto su perovskitne solarne ćelije učinkovitije

Anonim

Posljednjih godina, perovskiti su zauzimali industriju solarnih ćelija. Oni su jeftini, jednostavni za proizvodnju i vrlo fleksibilni u njihovim aplikacijama. Njihova učinkovitost pri prebacivanju svjetlosti u električnu energiju narasla je brže od bilo kojeg drugog materijala - s manje od četiri posto u 2009. na preko 20 posto u 2017. godini - i neki stručnjaci vjeruju da bi perovskiti mogli nadmašiti najčešći materijal solarnih ćelija, silicija. No, unatoč njihovoj popularnosti, istraživači ne znaju zašto su perovskiti toliko učinkoviti.

Sada eksperimenti s moćnom "elektronskom kamerom" u SLAC-ovom Laboratoriju nacionalnog akceleracijskog odjela za energiju otkrili su da se svjetlost vrtlozi atomi oko perovskita, što bi moglo objasniti visoku učinkovitost tih novih materijala solarnih ćelija i pružiti tragove za stvaranje boljih.

"Poduzeli smo korak prema rješavanju tajne", izjavio je Aaron Lindenberg s Instituta za materijale i energetske znanosti Stanford (SIMES) i Stanford PULSE institutom za ultraljubnu znanost, kojima zajednički upravljaju Sveučilište Stanford i SLAC. "Zabilježili smo filmove koji pokazuju da neki atomi u perovskitu reagiraju na svjetlo u trilijunima sekunde na vrlo neobičan način, što može olakšati transport električnih naboja kroz materijal i povećati njegovu učinkovitost."

Studija je objavljena danas u Science Advances.

Svjetlo postavlja atomsku strukturu u pokretu

Kad svjetlost zasja na materijalu solarne ćelije, njegova energija istiskuje neke od negativno napunjenih elektrona materijala. To ostavlja «rupe elektrona» s pozitivnim nabojem gdje su izvorno locirani elektroni. Elektroni i rupe migriraju na suprotne strane materijala, stvarajući napon koji se može koristiti za napajanje električnih uređaja.

Učinkovitost solarne ćelije ovisi o tome kako se slobodno elektroni i rupe mogu pomicati u materijalu. Njihova mobilnost, zauzvrat, ovisi o atomskoj strukturi materijala. Na primjer, silikonske solarne ćelije, na primjer, silicijevski atomi se redovito oblikuju unutar kristala, pa čak i najmanji strukturni nedostaci smanjuju sposobnost materijala da učinkovito žanje svjetlosti.

Kao rezultat toga, kristali silicija moraju se uzgajati u skupim, višestupnim postupcima pod izuzetno čistim uvjetima. Nasuprot tome, "Perovskiti se lako proizvode miješanjem kemikalija u otapalo, koje isparava da bi ostavilo vrlo tanki film perovskitnog materijala", rekao je Xiaoxi Wu, glavni autor studije iz SIMES-a u SLAC-u. "Jednostavnija obrada znači manji trošak. Za razliku od silikonskih solarnih ćelija, perovskitni tanki filmovi su također lagani i fleksibilni te se mogu lako nanositi na gotovo bilo koju površinu."

Ali što je točno o perovskitesima koji dopuštaju nekima da vrlo učinkovito žive žetvu? Znanstvenici misle da je jedan od ključeva kako se njihovi atomi kreću kao odgovor na svjetlost.

Da bi saznali više, Wu i njezini kolege proučavali su ove prijedloge u prototipu materijala od joda, olova i organske molekule pod nazivom metilamonij. Atomi joda raspoređeni su u oktoedra - osam strana, koje izgledaju kao dvije piramide pridružene njihovim bazama. Olovni atomi sjediti unutar oktoedra, a metilamonijeve molekule sjediti između oktoedra (vidi dijagram ispod). Ta je arhitektura uobičajena za mnoge perovskite istražene za aplikacije solarnih ćelija.

"Prethodne studije uglavnom su istraživale ulogu metilamonijevih iona i njihovih pokreta u transportu električnog naboja kroz materijal", rekao je Wu. "Međutim, otkrili smo da svjetlo uzrokuje velike deformacije u mreži olova i joda, što bi moglo biti ključno za učinkovitost perovskita."

Neuobičajene izobličenja mogu povećati učinkovitost

Na SLAC-ovom ASTA testu, istraživači su najprije pogodili perovskit film, manje od dva milijuntina inča debljine, s 40-femtosekundim laserskim pulsom. Jedna femtosekunda je milijunti dio milijarde sekunde sekunde. Da bi odredili atomsku reakciju, oni su poslali 300-femtosekundni puls visokoenergetskih elektrona kroz materijal i opazili kako su se elektroni odmakli u filmu. Ta tehnika, nazvana ultrafast elektronska difrakcija (UED), omogućila je da rekonstruiraju atomsku strukturu.

"Ponavljanjem eksperimenta s različitim vremenskim odmakom između dva impulsa, dobili smo film za zaustavljanje kretanja olova i atoma joda nakon što je svjetlo pogodilo", rekao je koautor Xijie Wang, glavni znanstvenik SLAC-a za UED. "Metoda je slična uzimanju niza ultra-kratkih snimaka rendgenskih snimaka, ali elektroni daju mnogo jače signale za tanke uzorke i manje su destruktivne."

Tim je očekivao da će svjetlosni puls utjecati na atome ravnomjerno u svim smjerovima, uzrokujući im da lutaju oko njihovih izvornih položaja.

"Ali to nije ono što se dogodilo", rekao je Lindenberg. "Unutar 10 trilijuna sekunde nakon laserskog impulsa, atomi joda rotirali su oko svakog atoma olova kao da se kreću na površini kugle s atomom olova u sredini, prebacujući svaki oktaedar iz redovitog oblika u iskrivljenu „.

Iznenađujuće deformacije bile su dugotrajne i neočekivano velike, slične veličine od onih promatranih u kristalima taljenja.

"Ovo kretanje moglo bi promijeniti način na koji se troškovi kretati", rekao je Wu. "Ovaj odgovor na svjetlo mogao bi povećati učinkovitost, na primjer, dopuštajući električnim nabojima migraciju kroz nedostatke i štiteći ih od zarobljavanja u materijalu".

"Rezultati Lindenbergove skupine daju fascinantne uvide u svojstva hibridnih perovskita pomoću ultraljubičaste difrakcije elektrona kao jedinstvenog alata", kaže Felix Deschler, stručnjak za polje svjetlosti inducirane fizike novih materijala i istraživač na Cavendish laboratoriju Sveučilišta Cambridge.

"Poznavanje detaljnog atomskog gibanja nakon fotoekscitacije daje nove informacije o njihovoj izvedbi i može pružiti nove smjernice za razvoj materijala."

menu
menu