Ingenieurs van Rice University hebben een nieuwe maatstaf bereikt in het ontwerp van atomair dunne zonnecellen gemaakt van halfgeleidende perovskieten, waardoor hun efficiëntie wordt verhoogd terwijl ze hun vermogen behouden om bestand te zijn tegen het milieu.

Het laboratorium van Aditya Mohite van Rice's George R. Brown School of Engineering ontdekte dat zonlicht zelf de ruimte tussen atomaire lagen in 2D-perovskieten voldoende inkrimpt om de fotovoltaïsche efficiëntie van het materiaal tot 18% te verbeteren, een verbazingwekkende sprong in een veld waar vooruitgang vaak wordt geboekt gemeten in fracties van een procent.

"In 10 jaar tijd is de efficiëntie van perovskieten omhooggeschoten van ongeveer 3% tot meer dan 25%," zei Mohite. "Andere halfgeleiders hebben er ongeveer 60 jaar over gedaan om daar te komen. Daarom zijn we zo enthousiast."

Het onderzoek verschijnt in Nature Nanotechnology .

Perovskieten zijn verbindingen met kubusachtige kristalroosters en zijn zeer efficiënte lichte oogstmachines. Hun potentieel is al jaren bekend, maar ze vormen een raadsel:ze zijn goed in het omzetten van zonlicht in energie, maar zonlicht en vocht degraderen ze.

"Een zonneceltechnologie zal naar verwachting 20 tot 25 jaar werken", zegt Mohite, universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering en materiaalwetenschap en nano-engineering. "We werken al vele jaren en blijven werken met bulkperovskieten die zeer efficiënt maar niet zo stabiel zijn. Daarentegen hebben 2D-perovskieten een enorme stabiliteit, maar zijn ze niet efficiënt genoeg om op een dak te plaatsen.

"Het grote probleem was om ze efficiënt te maken zonder de stabiliteit in gevaar te brengen," zei hij.

De Rice-ingenieurs en hun medewerkers van Purdue en Northwestern-universiteiten, de nationale laboratoria Los Alamos, Argonne en Brookhaven van het Amerikaanse ministerie van Energie en het Institute of Electronics and Digital Technologies (INSA) in Rennes, Frankrijk, ontdekten dat zonlicht in bepaalde 2D-perovskieten effectief krimpt de ruimte tussen de atomen, waardoor hun vermogen om een ​​stroom te voeren verbetert.

"We merken dat als je het materiaal aansteekt, je het als een spons uitknijpt en de lagen samenbrengt om het ladingstransport in die richting te verbeteren," zei Mohite. De onderzoekers ontdekten dat het plaatsen van een laag organische kationen tussen het jodide bovenop en lood op de bodem de interactie tussen de lagen versterkte.

"Dit werk heeft belangrijke implicaties voor het bestuderen van aangeslagen toestanden en quasideeltjes waarin een positieve lading op de ene laag ligt en de negatieve lading op de andere en ze met elkaar kunnen praten," zei Mohite. "Dit worden excitonen genoemd, die unieke eigenschappen kunnen hebben.

"Dit effect heeft ons de mogelijkheid gegeven om deze fundamentele interacties tussen licht en materie te begrijpen en aan te passen zonder complexe heterostructuren zoals gestapelde 2D-transitiemetaaldichalcogeniden te creëren," zei hij.

Experimenten werden bevestigd door computermodellen van collega's in Frankrijk. "Deze studie bood een unieke kans om state-of-the-art ab initio simulatietechnieken, materiaalonderzoek met behulp van grootschalige nationale synchrotronfaciliteiten en in-situ karakteriseringen van zonnecellen in bedrijf te combineren", zegt Jacky Even, hoogleraar natuurkunde aan INSA. "Het papier laat voor het eerst zien hoe een percolatiefenomeen plotseling de laadstroom in een perovskietmateriaal vrijgeeft."

Beide resultaten toonden aan dat na 10 minuten onder een zonnesimulator met een intensiteit van één zon, de 2D-perovskieten samentrokken met 0,4% langs hun lengte en met ongeveer 1% van boven naar beneden. Ze toonden aan dat het effect in 1 minuut te zien is bij een intensiteit van vijf zonnestralen.

"Het klinkt niet als veel, maar deze samentrekking van 1% in de roosterafstand zorgt voor een grote verbetering van de elektronenstroom", zegt Rice afgestudeerde student en co-hoofdauteur Wenbin Li. "Ons onderzoek laat een drievoudige toename van de elektronengeleiding van het materiaal zien."

Tegelijkertijd maakte de aard van het rooster het materiaal minder vatbaar voor degradatie, zelfs bij verhitting tot 80 graden Celsius (176 graden Fahrenheit). De onderzoekers ontdekten ook dat het rooster snel terug ontspande naar zijn normale configuratie zodra het licht was uitgeschakeld.

"Een van de belangrijkste attracties van 2D-perovskieten was dat ze meestal organische atomen hebben die als barrières voor vochtigheid fungeren, thermisch stabiel zijn en ionmigratieproblemen oplossen", zei afgestudeerde student en co-hoofdauteur Siraj Sidhik. "3D-perovskieten zijn gevoelig voor warmte- en lichtinstabiliteit, dus onderzoekers begonnen 2D-lagen op bulkperovskieten te plaatsen om te zien of ze het beste van beide konden krijgen.

"We dachten, laten we gewoon naar 2D gaan en het efficiënt maken", zei hij.

Om de materiële contractie in actie te observeren, maakte het team gebruik van twee gebruikersfaciliteiten van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) Office of Science:The National Synchrotron Light Source II bij DOE's Brookhaven National Laboratory en de Advanced Photon Source (APS) bij DOE's Argonne National Laboratorium.

Argonne-natuurkundige Joe Strzalka, een co-auteur van het artikel, gebruikte de ultraheldere röntgenstralen van de APS om minuscule structurele veranderingen in het materiaal in realtime vast te leggen. De gevoelige instrumenten bij bundellijn 8-ID-E van de APS maken "operando"-onderzoeken mogelijk, wat betekent dat die worden uitgevoerd terwijl het apparaat onder normale bedrijfsomstandigheden gecontroleerde veranderingen in temperatuur of omgeving ondergaat. In dit geval stelden Strzalka en zijn collega's het fotoactieve materiaal van de zonnecel bloot aan gesimuleerd zonlicht terwijl ze de temperatuur constant hielden, en observeerden ze kleine samentrekkingen op atomair niveau.

Als controle-experiment hielden Strzalka en zijn co-auteurs ook de kamer donker en verhoogden ze de temperatuur, waarbij ze het tegenovergestelde effect observeerden:een uitzetting van het materiaal. Dit toonde aan dat het het licht zelf was, niet de warmte die het produceerde, die de transformatie veroorzaakte.

"Voor dit soort veranderingen is het belangrijk om operando-onderzoeken te doen," zei Strzalka. "Op dezelfde manier waarop uw monteur uw motor wil laten draaien om te zien wat er binnenin gebeurt, willen we in wezen een video van deze transformatie maken in plaats van een enkele momentopname. Voorzieningen zoals het APS stellen ons in staat om dat te doen."

Strzalka merkte op dat de APS zich midden in een grote upgrade bevindt die de helderheid van zijn röntgenstralen tot 500 keer zal verhogen. Als het voltooid is, zei hij, zullen de helderdere stralen en snellere, scherpere detectoren het vermogen van wetenschappers verbeteren om deze veranderingen met nog meer gevoeligheid op te merken.

Dat zou het Rice-team kunnen helpen de materialen aan te passen voor nog betere prestaties. "We zijn op weg om meer dan 20% efficiëntie te behalen door de kationen en interfaces te ontwerpen", zei Sidhik. "Het zou alles op het gebied van perovskieten veranderen, want dan zouden mensen 2D-perovskieten gaan gebruiken voor 2D-perovskiet/silicium- en 2D/3D-perovskiet-tandems, wat een efficiëntie van bijna 30% zou kunnen opleveren. Dat zou het aantrekkelijk maken voor commercialisering."

Co-auteurs van het artikel zijn afgestudeerde Rice-studenten Jin Hou, Hao Zhang en Austin Fehr, student Joseph Essman, uitwisselingsstudent Yafei Wang en co-corresponderende auteur Jean-Christophe Blancon, een senior wetenschapper in het Mohite-lab; Boubacar Traore, Claudine Katan bij INSA; Reza Asadpour en Muhammad Alam van Purdue; Justin Hoffman, Ioannis Spanopoulos en Mercouri Kanatzidis van Northwestern; Jared Crochet van Los Alamos en Esther Tsai van Brookhaven. + Verder verkennen

3D-chemie verhoogt de efficiëntie van perovskiet tot 23,9%