2Dペロブスカイトを使用した超薄型太陽電池はブーストを得ます

Rice Laboratoryは、2Dペロブスカイト化合物がかさばる製品に挑戦するのに適した材料を持っていることを発見しました。

Rice Universityのエンジニアは、半導体ペロブスカイトで作られた原子的に薄い太陽電池設計で新しい基準を達成し、環境に耐える能力を維持しながら効率を高めました。

RiceのGeorge R. Brown School of EngineeringのAditya Mohite研究室は、太陽光自体が2Dペロブスカイトの原子層間の空間を収縮させ、材料の太陽電池効率を最大18％向上させるのに十分であることを発見しました。 パーセント単位で測定されます。

「10年間、ペロブスカイトの効率は約3％から25％以上に急増しました」とMohiteは言いました。 「他の半導体はそこに到達するのに約60年かかりました。 それが私たちがとても興奮している理由です。」

研究はに表示されます 自然ナノ技術。

ペロブスカイト（Perovskite）は、正方形の結晶格子を持つ化合物で、高効率の光収穫機です。 彼らの可能性は長年知られていますが、謎があります。 彼らは日光をエネルギーに変えるのに堪能ですが、日光と湿気はそれらを低下させます。

「太陽電池技術は20〜25年間働くと予想されています。」 「私たちは長年にわたって非常に効率的ですが安定していないバルクペロブスカイトで働き続けてきました。 対照的に、2Dペロブスカイトは非常に安定性がありますが、屋根に置くほど効率的ではありません。

「大きな問題は、安定性を損なうことなく効率的にすることだった」と彼は言った。

米国パーデュ大学とノースウェスタン大学のライスエンジニアと米国エネルギー省国立研究所ロスアラモス、アルゴン、ブルックヘイブン、フランスレンにある電子およびデジタル技術研究所（INSA）は、特定の2Dペロブスカイトで日光が効果的に収縮するという事実を発見した。 電流を流す能力を向上させる原子間の空間

ライス大学大学院生のSiraj Sidhikは、2Dペロブスカイトで凝固する化合物で基板をスピンコーティングする準備をしています。 米エンジニアは、ペロブスカイトが効率的で堅牢な太陽電池の可能性を示しています。 クレジット: Jeff Fitlow/Rice University

Mohite氏は、「材料に火をつけると、スポンジのように絞り、層を集めてその方向への電荷移動を改善することがわかった」と述べた。 研究者らは、上部のヨウ化物と下部の鉛の間に有機カチオン層を配置し、層間の相互作用を改善することを発見した。

「この研究は、正電荷が一層にあり、負電荷が別の層にあり、互いに対話することができる励起状態と準粒子を研究するために重要な意味があります」とMohite氏は言います。 「これは励起子と呼ばれ、独自の特性を持つことができます。

「この効果は、積層された2D遷移金属ジカルコゲナイドなどの複雑な異種構造を生成することなく、これらの基本的な鉱物相互作用を理解し調整する機会を提供しました」と彼は言いました。

実験はフランスの同僚によってコンピュータモデルによって確認された。 INSAの物理学教授Jacky Evenは、「この研究は、最先端のab initioシミュレーション技術、大規模な国家シンクロトロン施設を使用した材料の調査、および動作中の太陽電池の現場特性化を組み合わせるユニークな機会を提供しました」と述べた。 「この論文は、パーコレーション現象がペロブスカイト材料から電荷電流を突然どのように放出するかを初めて説明しています.」

Rice University大学院生Wenbin Liは、太陽光シミュレータでテストするために2Dペロブスカイト太陽電池を準備します。 ライスエンジニアは、2次元ペロブスカイトで作られた細胞の靭性を維持しながら効率を高めました。 クレジット: Jeff Fitlow/Rice University

どちらの結果も、太陽光強度1の太陽光シミュレータで10分後、2Dペロブスカイトが長さに沿って0.4％、上から下に約1％収縮することを示しました。 彼らは、5つの太陽光の下で1分以内にその効果を見ることができることを証明しました。

「それほど多くはありませんが、格子間隔のこの1％収縮は電子流の大きな向上をもたらします」とRice大学院生であり、共同躊躇者であるWenbin Liは言います。 「私たちの研究は、物質の電子伝導が3倍に増加することを示しています。」

同時に、格子の特性により、80度まで加熱しても材料が劣化しにくい。 摂氏 (176度 華氏）。 研究者はまた、照明がオフになると、格子が素早く通常の構成に戻ってリラックスすることを発見しました。

大学院生で共同躊躇者であるSiraj Sidhikは、「2Dペロブスカイトの主な魅力の1つは、一般的に水分に対する障壁として機能し、熱的に安定しており、イオン移動の問題を解決する有機原子を持っているということです」言いました。 「3Dペロブスカイトは熱と光が不安定になりやすいため、研究者はバルクペロブスカイトの上に2Dレイヤーを配置し、両方の利点が得られるかどうかを確認し始めました。

「私たちは2Dだけに移動し、効率的にしようと思った」と彼は言った。

Rice University 大学院生 Wenbin Li、化学および生体分子エンジニア Aditya Mohite および大学院生 Siraj Sidhik は、効率的な太陽電池のための強化 2D ペロブスカイト生産プロジェクトを主導しました。 クレジット: Jeff Fitlow/Rice University

材料収縮が作用することを観察するために、チームは2つの米国エネルギー省（DOE）科学室ユーザー施設、すなわちDOEのBrookhaven国立研究所にあるNational Synchrotron Light Source IIとDOEのArgonne NationalにあるAdvanced Photon Source（APS）を使用しました。 糸嫌悪。

この論文の共著者であるアルゴン物理学者のJoe Strzalkaは、APSの超高輝度X線を使用して、物質の微細な構造変化をリアルタイムで捉えました。 APSのビームライン8-ID-Eの敏感な装置は「オペランド」研究を可能にします。 これは、通常の動作条件下でデバイスが制御された温度または環境変化を経験している間に実行される研究を意味します。 この場合、Strzalkaとその同僚は、温度を一定に保ちながら、太陽電池の光活性物質をシミュレートされた日光にさらし、原子レベルで微細な収縮を観察しました。

対照実験として、Strzalkaとその共著者はまた、部屋を暗く保ち、温度を上げ、反対の効果である物質の膨張を観察した。 これは、変形を引き起こしたものが生成された熱ではなく、光自体であることを示しました。

「このような変更については、オペランド研究を行うことが重要です。」 APSなどの施設がこれを可能にします。

Strzalkaは、APSがX線の明るさを最大500倍に高める主要なアップグレードが進行中だと述べた。 完成すると、より明るい光線とより速く、より鮮明な検出器が科学者がこれらの変化をはるかに敏感に検出する能力を向上させると彼は言った。

これは、Riceチームがより良いパフォーマンスのために材料を調整するのに役立ちます。 Sidhik氏は次のように述べています。 「それはペロブスカイトの分野のすべてを変えるでしょう。 なぜなら、人々は2Dペロブスカイト/シリコンと2D/3Dペロブスカイトタンデムに2Dペロブスカイトを使い始め、効率が30％に迫るからです。 商業化に対する説得力があるだろう」と話した。

参照：Wenbin Li、Siraj Sidhik、Boubacar Traore、Reza Asadpour、Jin Hou、Hao Zhang、Austin Fehr、Joseph Essman、Yafei Wang、Justin Mによる「高効率太陽電池用の2次元ペロブスカイトの光活性化層間収縮」 Hoffman, Ioannis Spanopoulos, Jared J. Crochet, Esther Tsai, Joseph Strzalka, Claudine Katan, Muhammad A. Alam, Mercouri G. Kanatzidis, Jacky Even, Jean-Christophe Blancon と Aditya D. Mohite, 2021年11月22日, 自然ナノ技術。
DOI：10.1038 / s41565-021-01010-2

本論文の共著者は、ライス大学院生Jin Hou、Hao ZhangとAustin Fehr、学部Joseph Essman、交換留学生Yafei Wang、共同交信著者Jean-Christophe Blancon、Mohite Labsの上級科学者です。 Boubacar Traore, INSAのClaudine Katan; パデューのReza AsadpourとMuhammad Alam。 Justin Hoffman、NorthwesternのIoannis Spanopoulos、Mercouri Kanatzidis; Los AlamosのJared CrochetとBrookhavenのEsther Tsai。

陸軍研究室、フランス学術院、国立科学財団（20-587、1724728）、海軍研究室（N00014-20-1-2725）、DOE科学室（AC02-06CH11357）が支援しました。 研究。