Инженеры Университета Райса достигли нового рубежа в разработке атомарно-тонких солнечных элементов из полупроводниковых перовскитов, повысив их эффективность, сохранив при этом способность противостоять окружающей среде.
Лаборатория Адитьи Мохите из Инженерной школы имени Джорджа Р. Брауна Райса обнаружила, что солнечный свет сам по себе сужает пространство между атомными слоями в двумерных перовскитах, что позволяет повысить фотогальваническую эффективность материала на 18%, что является поразительным скачком в области, где прогресс часто измеряется долями процента.
«За 10 лет эффективность перовскитов резко возросла с 3% до более чем 25%», - сказал Мохите. «Другим полупроводникам потребовалось около 60 лет, чтобы достичь этого. Вот почему мы так взволнованы».
Исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.
Перовскиты представляют собой соединения с кубической кристаллической решеткой, которые являются высокоэффективными сборщиками света. Их потенциал известен уже много лет, но они представляют загадку: они хорошо преобразовывают солнечный свет в энергию, но солнечный свет и влага разрушают их.
«Ожидается, что технология солнечных элементов будет работать от 20 до 25 лет», - сказал Мохите, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии, а также материаловедения и наноинженерии. «Мы работали много лет и продолжаем работать с объемными перовскитами, которые очень эффективны, но не так стабильны. Напротив, 2D-перовскиты обладают огромной стабильностью, но недостаточно эффективны, чтобы их можно было установить на крышу.
«Большая проблема заключалась в том, чтобы сделать их эффективными без ущерба для стабильности», - сказал он.
Инженеры Райса и их сотрудники из Университетов Пердью и Северо-Запада, национальных лабораторий Министерства энергетики США в Лос-Аламосе, Аргонне и Брукхейвене, а также Института электроники и цифровых технологий (INSA) в Ренне, Франция, обнаружили, что в некоторых 2D перовскиты, солнечный свет эффективно сокращает пространство между атомами, улучшая их способность проводить ток.
«Мы обнаружили, что когда вы освещаете материал, вы как бы сжимаете его, как губку, и соединяете слои вместе, чтобы улучшить перенос заряда в этом направлении», - сказал Мохите. Исследователи обнаружили, что размещение слоя органических катионов между йодидом сверху и свинцом снизу усиливает взаимодействие между слоями.
«Эта работа имеет важное значение для изучения возбужденных состояний и квазичастиц, в которых положительный заряд лежит на одном слое, а отрицательный - на другом, и они могут общаться друг с другом», - сказал Мохите.«Это называется экситонами, которые могут обладать уникальными свойствами.
«Этот эффект дал нам возможность понять и адаптировать эти фундаментальные взаимодействия света и материи без создания сложных гетероструктур, таких как сложенные двумерные дихалькогениды переходных металлов», - сказал он..
Эксперименты были подтверждены компьютерными моделями коллег из Франции. «Это исследование предоставило уникальную возможность объединить современные методы моделирования ab initio, исследования материалов с использованием крупномасштабных национальных синхротронных установок и характеристик действующих солнечных элементов на месте», - сказал Джеки Эвен, профессор физики INSA. «В документе впервые показано, как явление перколяции внезапно высвобождает ток заряда в перовскитном материале».
Оба результата показали, что после 10 минут пребывания в симуляторе солнечного излучения при интенсивности в одно солнце двумерные перовскиты сократились на 0,4% по длине и примерно на 1% сверху вниз. Они продемонстрировали, что эффект можно увидеть уже через 1 минуту при интенсивности пяти солнечных лучей.
«Это не похоже на много, но это 1%-ое сокращение в периоде решетки вызывает значительное увеличение потока электронов», - сказал аспирант Райс и соавтор Венбин Ли. «Наше исследование показывает трехкратное увеличение электронной проводимости материала».
В то же время природа решетки делает материал менее склонным к деградации даже при нагревании до 80 градусов по Цельсию (176 градусов по Фаренгейту). Исследователи также обнаружили, что после выключения света решетка быстро возвращалась к своей нормальной конфигурации.
«Одним из основных преимуществ двумерных перовскитов является то, что они обычно содержат органические атомы, которые действуют как барьеры для влаги, термически стабильны и решают проблемы миграции ионов», - сказал аспирант и соавтор Сирадж Сидхик. «3D-перовскиты склонны к тепловой и световой нестабильности, поэтому исследователи начали накладывать 2D-слои поверх объемных перовскитов, чтобы посмотреть, смогут ли они получить лучшее от обоих.
"Мы подумали, давайте просто перейдем только на 2D и сделаем его более эффективным", - сказал он.
Чтобы наблюдать за сжатием материала в действии, команда использовала два пользовательских оборудования Министерства энергетики США (DOE): Национальный источник синхротронного света II в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Усовершенствованный источник фотонов (APS).) в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США.
Аргоннский физик Джо Стшалка, соавтор статьи, использовал ультраяркие рентгеновские лучи APS, чтобы зафиксировать незначительные структурные изменения в материале в режиме реального времени. Чувствительные инструменты на линии луча 8-ID-E APS позволяют проводить «операционные» исследования, то есть те, которые проводятся, когда устройство подвергается контролируемым изменениям температуры или окружающей среды в нормальных условиях эксплуатации. В этом случае Стшалка и его коллеги подвергали фотоактивный материал солнечного элемента искусственному солнечному свету, сохраняя при этом постоянную температуру, и наблюдали крошечные сокращения на атомном уровне.
В качестве контрольного эксперимента Стржалка и его соавторы также держали комнату в темноте и повышали температуру, наблюдая противоположный эффект - расширение материала. Это показало, что трансформацию вызвал сам свет, а не выделяемое им тепло.
«Для подобных изменений важно проводить исследования операндо», - сказал Стшалка. «Точно так же, как ваш механик хочет запустить ваш двигатель, чтобы увидеть, что происходит внутри, мы хотим, по сути, снять видео этого преобразования вместо одного снимка. Такие средства, как APS, позволяют нам это делать».
Strzalka отметил, что APS находится в процессе серьезной модернизации, которая увеличит яркость рентгеновских лучей до 500 раз. По его словам, когда это будет завершено, более яркие лучи и более быстрые и острые детекторы улучшат способность ученых обнаруживать эти изменения с еще большей чувствительностью.
Это может помочь команде Rice настроить материалы для еще большей производительности.«Мы находимся на пути к повышению эффективности более чем на 20% за счет разработки катионов и интерфейсов», - сказал Сидхик. «Это изменило бы все в области перовскитов, потому что тогда люди начали бы использовать 2D-перовскиты для тандемов 2D-перовскит/кремний и 2D/3D-перовскит, что могло бы обеспечить эффективность, приближающуюся к 30%. Это сделало бы его привлекательным для коммерциализации».
Соавторами статьи являются аспиранты Райса Джин Хоу, Хао Чжан и Остин Фер, студент Джозеф Эссман, студент по обмену Яфэй Ван и соавтор Жан-Кристоф Блансон, старший научный сотрудник лаборатории Мохите; Бубакар Траоре, Клодин Катан из INSA; Реза Асадпур и Мухаммад Алам из Purdue; Джастин Хоффман, Иоаннис Спанопулос и Меркури Канацидис из Северо-Запада; Джаред Кроше из Лос-Аламоса и Эстер Цай из Брукхейвена.
Управление армейских исследований, Академический институт Франции, Национальный научный фонд (20-587, 1724728), Управление военно-морских исследований (N00014-20-1-2725) и Управление науки Министерства энергетики (AC02?06CH11357) поддержал исследование.