Le celle solari ultrasottili che utilizzano perovskiti 2D ottengono una spinta

Il laboratorio del riso ha scoperto che il complesso di perovskite 2D contiene gli ingredienti giusti per sfidare i prodotti più grandi.

Gli ingegneri della Rice University hanno stabilito un nuovo standard nella progettazione di celle solari a perovskite semiconduttiva atomica sottile, aumentando la loro efficienza pur essendo rispettosi dell’ambiente.

L’Aditya Mohite Laboratory della George Brown School of Engineering di Rice ha scoperto che la luce solare stessa contrae lo spazio tra gli strati atomici in perovskite bidimensionale quanto basta per migliorare l’efficienza dei materiali fotovoltaici fino al 18%, un salto sbalorditivo in un’area in cui il progresso è spesso misurato in frazioni di percentuale.

«In 10 anni, l’efficienza della perovskite è passata da circa il 3% a oltre il 25%», ha affermato Moheti. Ci sono voluti altri semiconduttori circa 60 anni per arrivarci. Ecco perché siamo così eccitati. «

La ricerca appare in Nanotecnologia della natura.

Le perovskiti sono composti con reticoli cristallini cubici e sono raccoglitori ottici altamente efficienti. Il loro potenziale è noto da anni, ma presentano un dilemma: sono bravi a convertire la luce solare in energia, ma la luce solare e l’umidità li degradano.

«La tecnologia delle celle solari dovrebbe essere operativa per 20-25 anni», ha affermato Mohit, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare, scienza dei materiali e nanoingegneria. «Lavoriamo da molti anni e continuiamo a lavorare con grandi quantità di perovskiti che sono altamente efficienti ma non stabili. Al contrario, le perovskiti 2D hanno un’enorme stabilità ma non sono abbastanza efficienti da essere posizionate su una superficie.

«Il grosso problema era renderlo efficace senza compromettere la stabilità», ha detto.

Gli ingegneri e i collaboratori di Rice presso le università Purdue e Northwestern, i laboratori nazionali di Los Alamos, Argonne e Brookhaven del Dipartimento dell’energia degli Stati Uniti e l’Istituto di elettronica e tecnologie digitali (INSA) di Rennes, in Francia, hanno scoperto che in alcune perovskiti bidimensionali, la luce solare viene effettivamente ridotto. La distanza tra gli atomi, migliorando la loro capacità di trasportare corrente.

Siraj Sedik, uno studente laureato alla Rice University, si sta preparando a filare un substrato con un composto che si congela in perovskite bidimensionale. Gli ingegneri di Rice hanno scoperto che i display in perovskite sono promettenti per celle solari efficienti e robuste. Credito: Jeff Fitlow/Rice University

«Abbiamo scoperto che quando accendi il materiale, lo comprimi come una spugna e riunisci gli strati per migliorare il trasferimento di carica in quella direzione», ha detto Mohit. I ricercatori hanno scoperto la stratificazione di cationi organici tra lo ioduro in alto e la guida delle interazioni migliorate tra gli strati in basso.

«Questo lavoro ha importanti implicazioni per lo studio degli stati eccitati e delle quasiparticelle in cui una carica positiva su uno strato e una carica negativa sull’altro possono comunicare tra loro», ha detto Mohit. «Questi sono chiamati eccitoni, che possono avere proprietà uniche.

«Questo effetto ci ha dato l’opportunità di comprendere e adattare queste interazioni di base luce-materia senza creare complesse strutture eterogenee come i dichalcogenuri di metalli di transizione bidimensionali», ha affermato.

Gli esperimenti sono stati confermati da modelli al computer di colleghi in Francia. «Questo studio ha fornito un’opportunità unica per combinare tecniche di simulazione all’avanguardia, indagini fisiche utilizzando strutture nazionali di sincrotrone su larga scala e caratterizzazioni in situ di celle solari operative», ha affermato Jackie Even, professore di fisica all’INSA. «Il documento descrive per la prima volta come il fenomeno della filtrazione innesca improvvisamente il flusso di corrente di carica in un materiale di perovskite».

Wenbin Li, uno studente laureato alla Rice University, prepara una cella solare a perovskite 2-D per i test in un simulatore solare. Gli ingegneri di Rice hanno potenziato l’efficienza delle celle di perovskite 2D pur mantenendo la loro robustezza. Credito: Jeff Fitlow/Rice University

Entrambi i risultati hanno mostrato che dopo 10 minuti sotto un simulatore solare con una densità di un sole, la perovskite bidimensionale si è ridotta dello 0,4% in lunghezza e di circa l’1% dall’alto verso il basso. Hanno mostrato che l’effetto può essere visto in un minuto al di sotto dell’intensità del quinto sole.

«Non sembra molto, ma questa contrazione dell’1% nella spaziatura del reticolo porta a un significativo miglioramento del flusso di elettroni», ha detto Wenbin Lee, uno studente laureato alla Rice e co-autore. «La nostra ricerca mostra un triplice aumento della conduttività elettronica del materiale».

Allo stesso tempo, la natura della rete rendeva il materiale meno suscettibile ai danni, anche se riscaldato a 80 gradi Centigrado (176 gradi F). I ricercatori hanno anche scoperto che il reticolo si è rapidamente rilassato tornando alla sua forma normale una volta spenta la luce.

«Una delle principali attrazioni della perovskite 2D è che in genere contengono atomi organici che agiscono come barriere all’umidità, sono termicamente stabili e risolvono i problemi di migrazione ionica», ha affermato Siraj Siddik, uno studente laureato e co-autore. “Le perovskiti 3D sono soggette a calore e instabilità della luce, quindi i ricercatori hanno iniziato a stratificare strati 2D sopra la perovskite per vedere se potevano ottenere il meglio dei due.

«Abbiamo pensato, ‘Andiamo solo con il 2D e rendiamolo funzionale», ha detto.

Lo studente laureato della Rice University Wenbin Lee, l’ingegnere chimico e biomolecolare Aditya Mohit e lo studente laureato Siraj Sidhik hanno guidato il progetto per produrre perovskite rinforzata bidimensionale per celle solari efficienti. Credito: Jeff Fitlow/Rice University

Per monitorare la contrazione del materiale in azione, il team ha utilizzato due strutture per gli utenti dell’Office of Science (DOE) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE): la National Synchrotron Light Source II presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell’Energia e l’Advanced Photon Source (APS) presso il Dipartimento dell’Energia dell’Argonne National. Laboratorio.

Il fisico di Argonne Joe Strzalka, coautore dello studio, ha utilizzato i raggi X ultra luminosi di APS per catturare piccoli cambiamenti strutturali nel materiale in tempo reale. Gli strumenti sensibili in Beamline 8-ID-E consentono ad APS di eseguire studi «operando», ovvero quelli che vengono condotti mentre lo strumento subisce variazioni controllate di temperatura o ambiente in condizioni operative normali. In questo caso, Strzalka e colleghi hanno esposto il materiale fotoattivo della cella solare per simulare la luce solare mantenendo la temperatura costante e hanno osservato piccole contrazioni a livello atomico.

Come esperimento di controllo, Strzalka e i suoi colleghi hanno anche tenuto la stanza buia e aumentato la temperatura, notando l’effetto opposto: l’espansione del materiale. Ciò ha dimostrato che era la luce stessa, non il calore che generava, a causare la trasformazione.

«Per tali cambiamenti, è importante fare studi sull’opera», ha detto Strzalka. «Allo stesso modo in cui il tuo meccanico vuole avviare il motore per vedere cosa sta succedendo all’interno, in pratica vogliamo fare un video di quel turno piuttosto che una singola ripresa. Utility come APS ci permettono di farlo.»

Strzalka ha notato che APS è nel bel mezzo di un importante aggiornamento che aumenterà la luminosità dei raggi X fino a 500 volte. Al termine, ha affermato, fasci più luminosi e rivelatori più veloci e più chiari miglioreranno la capacità degli scienziati di rilevare questi cambiamenti con maggiore sensibilità.

Questo può aiutare il team di Rice a modificare i materiali per prestazioni migliori. «Siamo sulla buona strada per ottenere un’efficienza superiore al 20% grazie alla progettazione di cationi e interfacce», ha detto il tuo amico. «Cambierà tutto nel campo della perovskite, perché allora le persone inizieranno a utilizzare la perovskite 2D per i sinonimi di perovskite/silicio 2D e perovskite 2D/3D, che possono consentire un’efficienza vicina al 30%. Ciò la renderà attraente per il marketing».

Riferimento: «Restringimento dello strato intermedio attivato dalla luce in perovskite bidimensionale per celle solari ad alta efficienza» di 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 novembre 2021, disponibile qui. La nanotecnologia della natura.
DOI: 10.1038 / s41565-021-01010-2

I coautori del documento sono gli studenti laureati della Rice Jin Ho, Hao Zhang e Austin Fehr, lo studente universitario Joseph Eastman e lo studente di scambio Yaffe Wang e il coautore Jean-Christophe Blancun, uno scienziato senior nel laboratorio di Mohit; Boubacar Traore, Claudine Cattan dell’INSA; Reza Asadpour e Muhammad Alam di Bordeaux; Justin Hoffman, Ioannis Spanopoulos e Mercury Kanatzidis dal nord-ovest; Jared è lavorato all’uncinetto da Los Alamos ed Esther Tsai da Brookhaven.

L’Ufficio di ricerca dell’esercito, l’Istituto accademico francese, la Fondazione nazionale della scienza (20-587, 1724728), l’Ufficio di ricerca navale (N00014-20-1-2725) e l’Ufficio delle scienze del Dipartimento dell’energia (AC02-06CH11357) hanno sostenuto la ricerca.