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초박형 태양전지?

12월 31, 2021

By hoppt

초박형 태양전지

초박형 태양전지?

초박형 태양 전지 개선: 2D 페로브스카이트 화합물은 부피가 큰 제품에 도전하기에 적합한 재료를 가지고 있습니다.

Rice University의 엔지니어들은 반도체 페로브스카이트로 만들어진 원자 규모의 얇은 태양 전지 설계에서 새로운 기준을 달성하여 환경을 견딜 수 있는 능력을 유지하면서 효율성을 높였습니다.

Rice University의 George R Brown School of Engineering의 Aditya Mohite 연구실은 햇빛이 18차원 페로브스카이트에서 원자층 사이의 공간을 수축시켜 재료의 광전지 효율을 XNUMX%까지 증가시키기에 충분하다는 것을 발견했습니다. 이는 빈번한 진행입니다. . 이 분야에서 환상적인 도약이 이루어졌으며 백분율로 측정되었습니다.

"10년 동안 페로브스카이트의 효율은 약 3%에서 25% 이상으로 급증했습니다."라고 Mohite는 말했습니다. "다른 반도체는 달성하는 데 약 60년이 걸릴 것입니다. 그것이 우리가 매우 흥분하는 이유입니다."

페로브스카이트(Perovskite)는 입방 격자(cubic lattice)를 가진 화합물이며 효율적인 집광기입니다. 그들의 잠재력은 수년 동안 알려져 있었지만 문제가 있습니다. 햇빛을 에너지로 전환할 수 있지만 햇빛과 습기가 에너지를 저하시킬 수 있다는 것입니다.

"태양 전지 기술은 20~25년 동안 지속될 것으로 예상됩니다"라고 화학 및 생체 분자 공학 및 재료 과학 및 나노 공학 부교수인 Mohite가 말했습니다. "우리는 수년 동안 작업해 왔으며 매우 효과적이지만 안정적이지 않은 대형 페로브스카이트를 계속 사용하고 있습니다. 대조적으로 XNUMX차원 페로브스카이트는 안정성이 우수하지만 지붕에 놓을 만큼 효율적이지 않습니다.

"가장 큰 문제는 안정성을 손상시키지 않으면서 효율적으로 만드는 것입니다."
미국 에너지국 국립연구소의 로스알라모스, 아르곤, 브룩헤이븐, 프랑스 렌에 있는 전자 및 디지털 기술 연구소(INSA)의 라이스 엔지니어들과 그들의 협력자들과 그들의 협력자들은 다음과 같은 사실을 발견했습니다. 일부 XNUMX차원 페로브스카이트에서 햇빛은 원자 사이의 공간을 효과적으로 축소하여 전류를 전달하는 능력을 증가시킵니다.

"우리는 물질을 점화할 때 스펀지처럼 짜내고 층을 함께 모아 그 방향으로 전하 이동을 향상시킨다는 것을 발견했습니다."라고 Mocht가 말했습니다. 연구원들은 상단의 요오드화물과 하단의 납 사이에 유기 양이온 층을 배치하면 층 사이의 상호 작용을 향상시킬 수 있음을 발견했습니다.

Mocht는 "이 작업은 양전하의 한 층이 다른 층 위에 있고 음전하가 다른 층 위에 있으며 서로 대화할 수 있는 여기 상태 및 준입자 연구에 큰 의미가 있습니다."라고 말했습니다. "이것을 여기자(exciton)라고 하며 독특한 특성을 가질 수 있습니다.

"이 효과는 적층된 2D 전이 금속 디칼코게나이드와 같은 복잡한 이종 구조를 생성하지 않고도 이러한 기본 광물질 상호작용을 이해하고 조정할 수 있게 해줍니다."라고 그는 말했습니다.

프랑스의 동료들은 컴퓨터 모델로 실험을 확인했습니다. INSA 물리학과 Jacky Even 교수는 "이번 연구는 가장 진보된 ab initio 시뮬레이션 기술, 대규모 국가 싱크로트론 시설을 사용한 재료 연구, 작동 중인 태양 전지의 현장 특성화를 결합할 수 있는 독특한 기회를 제공합니다. ." "이 논문은 침투 현상이 어떻게 페로브스카이트 재료에서 충전 전류를 갑자기 방출하는지 처음으로 설명합니다."

두 결과 모두 태양광 강도에서 태양광 시뮬레이터에 10분 노출된 후 0.4차원 페로브스카이트가 길이를 따라 1%, 위에서 아래로 약 1% 감소한다는 것을 보여줍니다. 그들은 XNUMX개의 태양 강도에서 XNUMX분 이내에 효과를 볼 수 있음을 증명했습니다.

라이스의 대학원생이자 공동 제1저자인 Li Wenbin은 "많은 것 같지는 않지만 격자 간격이 XNUMX% 줄어들면 전자 흐름이 크게 증가할 것"이라고 말했습니다. "우리 연구는 물질의 전자 전도가 XNUMX배 증가했음을 보여줍니다."

동시에 결정 격자의 특성으로 인해 섭씨 80도(화씨 176도)로 가열된 경우에도 재료가 열화되지 않습니다. 연구원들은 또한 조명이 꺼지면 격자가 표준 구성으로 빠르게 이완된다는 것을 발견했습니다.

대학원생이자 공동 주저자인 Siraj Sidhik은 "2D 페로브스카이트의 주요 매력 중 하나는 일반적으로 습도 장벽으로 작용하고 열적으로 안정하며 이온 이동 문제를 해결하는 유기 원자를 가지고 있다는 것입니다. "3D 페로브스카이트는 열 및 광 불안정성에 취약하므로 연구자들은 두 가지를 최대한 활용할 수 있는지 확인하기 위해 거대한 페로브스카이트 위에 2D 레이어를 배치하기 시작했습니다.

"우리는 2D로 전환하여 효율적으로 만들자고 생각합니다."라고 그는 말했습니다.

재료의 수축을 관찰하기 위해 팀은 미국 에너지부(DOE) 과학국의 두 사용자 시설인 미국 에너지부의 브룩헤이븐 국립 연구소의 국립 싱크로트론 광원 II와 미국의 첨단 주립 연구소를 사용했습니다. 미국 에너지부의 아르곤 국립 연구소. 광자 소스(APS) 연구실.

이 논문의 공동 저자인 아르곤 물리학자인 Joe Strzalka는 APS의 초고휘도 X선을 사용하여 실시간으로 물질의 작은 구조적 변화를 포착합니다. APS 빔라인의 8-ID-E에 있는 민감한 기기는 "작동" 연구를 허용합니다. 이는 장비가 정상 작동 조건에서 온도 또는 환경의 제어된 변화를 겪을 때 수행되는 연구를 의미합니다. 이 경우 Strzalka와 그의 동료들은 온도를 일정하게 유지하면서 태양 전지의 감광성 물질을 태양광에 노출시켰고 원자 수준에서 미세한 수축을 관찰했습니다.

대조 실험으로 Strzalka와 그의 공동 저자는 방을 어둡게 유지하고 온도를 높였으며 반대 효과인 물질 팽창을 관찰했습니다. 이것은 생성하는 열이 아니라 빛 자체가 변형을 일으켰음을 시사합니다.

Strzalka는 "이러한 변화를 위해서는 운영 연구를 수행하는 것이 중요합니다. "당신의 정비사가 당신의 엔진을 작동시켜 엔진 안에서 무슨 일이 일어나는지 확인하기를 원하는 것처럼, 우리는 본질적으로 단일 스냅샷이 아니라 이 변환의 비디오를 찍고 싶어합니다. APS와 같은 시설을 통해 이를 수행할 수 있습니다."

Strzalka는 APS가 X선의 밝기를 최대 500배까지 높이기 위해 상당한 업그레이드를 진행하고 있다고 지적했습니다. 그는 그것이 완성되면 더 밝은 광선과 더 빠르고 더 예리한 탐지기가 과학자들이 더 큰 감도로 이러한 변화를 탐지하는 능력을 향상시킬 것이라고 말했습니다.

이것은 Rice 팀이 더 나은 성능을 위해 재료를 조정하는 데 도움이 될 수 있습니다. "우리는 20% 이상의 효율성을 달성하기 위해 양이온과 인터페이스를 설계하고 있습니다"라고 Sidhik이 말했습니다. "이것은 페로브스카이트 분야의 모든 것을 바꿀 것입니다. 왜냐하면 사람들은 2D 페로브스카이트/실리콘 및 2D/2D 페로브스카이트 시리즈에 3D 페로브스카이트를 사용하기 시작하여 효율성을 30%에 근접하게 만들 수 있기 때문입니다. 이는 상용화가 매력적입니다."

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