Células solares ultrafinas usando perovskitas 2D ganham impulso

Uma camada bidimensional do composto perovskita é a base para uma célula solar eficiente que pode resistir à corrosão ambiental, ao contrário das perovskitas anteriores. Engenheiros da Rice University aumentaram a eficiência fotovoltaica da perovskita bidimensional em até 18%. Crédito: Jeff Fitlow / Rice University

O laboratório de arroz descobriu que o complexo de perovskita 2D contém os ingredientes certos para desafiar produtos maiores.

Os engenheiros da Rice University estabeleceram um novo padrão no projeto de células solares de perovskita semicondutoras atômicas finas, aumentando sua eficiência e ainda sendo ecologicamente corretas.

O Laboratório Aditya Mohite da Escola de Engenharia George Brown em Rice descobriu que a própria luz solar contrai o espaço entre as camadas atômicas em perovskita bidimensional o suficiente para melhorar a eficiência dos materiais fotovoltaicos em até 18%, um salto impressionante em uma área onde o progresso geralmente é medido em frações de porcentagem.

“Em 10 anos, a eficiência da perovskita passou de cerca de 3% para mais de 25%”, disse Moheti. Outros semicondutores demoraram cerca de 60 anos para chegar lá. É por isso que estamos tão animados. “

A pesquisa aparece em Nanotecnologia da natureza.

As perovskitas são compostos com retículos cristalinos em forma de cubo e são colheitadeiras ópticas altamente eficientes. Seu potencial é conhecido há anos, mas eles apresentam um dilema: eles são bons em converter a luz do sol em energia, mas a luz do sol e a umidade os degradam.

“Espera-se que a tecnologia de células solares esteja operacional por 20 a 25 anos”, disse Mohit, professor associado de engenharia química e biomolecular, ciência de materiais e nanoengenharia. “Trabalhamos por muitos anos e continuamos a trabalhar com grandes quantidades de perovskitas que são altamente eficientes, mas não estáveis. Em contraste, as perovskitas 2D têm uma estabilidade tremenda, mas não são eficientes o suficiente para serem colocadas em uma superfície.

“O grande problema era torná-lo eficaz sem comprometer a estabilidade”, disse ele.

Engenheiros de arroz e colaboradores das Universidades de Purdue and Northwestern, do Laboratório Nacional de Los Alamos, Argonne e Brookhaven do Departamento de Energia dos Estados Unidos e do Instituto de Eletrônica e Tecnologias Digitais (INSA) em Rennes, França, descobriram que, em algumas perovskitas bidimensionais, a luz solar é efetivamente reduzido. A distância entre os átomos, melhorando sua capacidade de transportar corrente.

Spin Coat 2D Perovskite

Siraj Sedik, um estudante graduado da Rice University, está se preparando para girar um substrato com um composto que congela em perovskita bidimensional. Os engenheiros da Rice descobriram que os visores de perovskita são promissores para células solares eficientes e robustas. Crédito: Jeff Fitlow / Rice University

“Descobrimos que quando você ilumina o material, você o compacta como uma esponja e junta as camadas para melhorar a transferência de carga nessa direção”, disse Mohit. Os pesquisadores descobriram camadas de cátions orgânicos entre o iodeto na parte superior e impulsionando as interações aprimoradas entre as camadas na parte inferior.

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“Este trabalho tem implicações importantes para o estudo de estados excitados e quasipartículas em que uma carga positiva em uma camada e uma carga negativa na outra podem comunicar-se entre si”, disse Mohit. “São os chamados excitons, que podem ter propriedades únicas.

“Este efeito nos deu a oportunidade de compreender e adaptar essas interações básicas de luz-matéria sem criar estruturas heterogêneas complexas, como os dichalcogenetos de metais de transição bidimensionais”, disse ele.

Os experimentos foram confirmados por modelos de computador por colegas na França. “Este estudo ofereceu uma oportunidade única de combinar técnicas de simulação de última geração, investigações físicas usando instalações síncrotron nacionais em grande escala e caracterizações in-situ de células solares operacionais”, disse Jackie Even, professor de física do INSA. “O artigo descreve pela primeira vez como o fenômeno da filtração dispara repentinamente o fluxo de corrente de carga em um material perovskita.”

Células solares de perovskita 2D para teste

Wenbin Li, um estudante de graduação da Rice University, prepara uma célula solar de perovskita 2-D para teste em um simulador solar. Os engenheiros do Rice aumentaram a eficiência das células de perovskita 2D, mantendo sua resistência. Crédito: Jeff Fitlow / Rice University

Ambos os resultados mostraram que após 10 minutos sob um simulador solar com densidade de um sol, a perovskita bidimensional encolheu 0,4% em comprimento e cerca de 1% de cima para baixo. Eles mostraram que o efeito pode ser visto em um minuto abaixo da intensidade do quinto sol.

“Não parece muito, mas esta contração de 1% no espaçamento da rede leva a um aumento significativo do fluxo de elétrons”, disse Wenbin Lee, estudante de graduação da Rice e co-autor do estudo. “Nossa pesquisa mostra um aumento de três vezes na condutividade eletrônica do material.”

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Ao mesmo tempo, a natureza da malha tornou o material menos suscetível a danos, mesmo quando aquecido a 80 graus Celsius (176 graus F) Os pesquisadores também descobriram que a estrutura rapidamente relaxou de volta à sua forma normal, uma vez que a luz foi desligada.

“Uma das principais atrações da perovskita 2D é que eles normalmente contêm átomos orgânicos que atuam como barreiras de umidade, são termicamente estáveis ​​e resolvem problemas de migração de íons”, disse Siraj Siddik, estudante de graduação e co-autor. “As perovskitas 3D estão sujeitas a instabilidade de calor e luz, então os pesquisadores começaram a espalhar camadas 2D no topo da perovskita para ver se conseguiam obter o melhor das duas.

“Nós pensamos: ‘Vamos apenas usar o 2D e torná-lo funcional”, disse ele.

Mostre-me e Aditya Mohti e Siraj seu amigo

O aluno de pós-graduação da Rice University Wenbin Lee, o engenheiro químico e biomolecular Aditya Mohit e o aluno de pós-graduação Siraj Sidhik lideraram o projeto para produzir perovskita reforçada bidimensional para células solares eficientes. Crédito: Jeff Fitlow / Rice University

Para monitorar a contração do material em ação, a equipe usou duas instalações de usuários do Escritório de Ciência (DOE) do Departamento de Energia dos EUA (DOE): a Fonte de Luz Síncrotron Nacional II no Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia e a Fonte Avançada de Fótons (APS) no Departamento de Energia do Argonne National. Lab.

O físico de Argonne Joe Strzalka, co-autor do artigo, usou os raios X ultrabrilhantes da APS para capturar pequenas mudanças estruturais no material em tempo real. Os instrumentos sensíveis no Beamline 8-ID-E permitem que a APS realize estudos “operando”, ou seja, aqueles que são conduzidos enquanto o instrumento está passando por mudanças controladas de temperatura ou ambiente em condições normais de operação. Neste caso, Strzalka e seus colegas expuseram o material fotoativo da célula solar para simular a luz solar, mantendo a temperatura constante, e observaram pequenas contrações no nível atômico.

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Como um experimento de controle, Strzalka e seus colegas também mantiveram a sala escura e aumentaram a temperatura, notando o efeito oposto – a expansão do material. Isso mostrou que foi a própria luz, não o calor que gerou, que causou a transformação.

“Para tais mudanças, é importante fazer estudos de ópera”, disse Strzalka. “Da mesma forma que seu mecânico quer ligar o motor para ver o que está acontecendo lá dentro, basicamente queremos fazer um vídeo dessa mudança, em vez de uma única cena. Utilitários como o APS nos permitem fazer isso.”

Strzalka observou que o APS está no meio de uma grande atualização que aumentará o brilho dos raios X em até 500 vezes. Quando concluído, disse ele, feixes mais brilhantes e detectores mais rápidos e claros irão melhorar a capacidade dos cientistas de detectar essas mudanças com mais sensibilidade.

Isso pode ajudar a equipe do Rice a modificar os materiais para um melhor desempenho. “Estamos no caminho certo para obter mais de 20% de eficiência por meio de cátions e interfaces de engenharia”, disse seu amigo. “Isso mudará tudo no campo da perovskita, porque então as pessoas começarão a usar perovskita 2D para sinônimos de perovskita / silício 2D / 3D, o que pode permitir uma eficiência próxima de 30%. Isso o tornará atraente para o marketing.”

Referência: “Encolhimento intercalar ativado por luz em perovskita bidimensional para células solares de alta eficiência” por Wenbin Li, Siraj Seddhik, Boubacar Traore, Reza Asadpour, Jin Ho, Hao Zhang, Austin Ver, Joseph Eismann, Yaffee Wang e Justin M . Hoffman, Ioannis Spanopoulos, Jared J. Crochet, Esther Tsai, Joseph Strzalka, Claudine Cattan, Muhammed A. Alam, Mercury J. Kanatzidis, Jackie Even, Jean-Christophe Blancon e Aditya D. Mohti, 22 de novembro de 2021, disponível aqui. Nanotecnologia da natureza.
DOI: 10.1038 / s41565-021-01010-2

Os co-autores do artigo são Jin Ho, Hao Zhang e Austin Fehr, estudantes de graduação do Rice, Joseph Eastman e estudante de intercâmbio Yaffe Wang, e o co-autor Jean-Christophe Blancun, um cientista sênior do laboratório de Mohit; Boubacar Traore, Claudine Cattan do INSA; Reza Asadpour e Muhammad Alam de Bordéus; Justin Hoffman, Ioannis Spanopoulos e Mercury Kanatzidis do noroeste; Jared é tricotado por Los Alamos e Esther Tsai por Brookhaven.

O Escritório de Pesquisa do Exército, o Instituto Acadêmico da França, a Fundação Nacional de Ciência (20-587, 1724728), o Escritório de Pesquisa Naval (N00014-20-1-2725) e o Escritório de Ciência do Departamento de Energia (AC02-06CH11357) apoiaram a pesquisa.

Annaliese Franke

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