Lab beras menemukan bahwa kompleks perovskit 2D mengandung bahan yang tepat untuk menantang produk yang lebih besar.

Insinyur Rice University telah menetapkan standar baru dalam merancang sel surya setipis atom yang terbuat dari semikonduktor perovskit, meningkatkan efisiensinya sambil tetap ramah lingkungan.

Laboratorium Aditya Mohite dari George Brown School of Engineering in Rice menemukan bahwa sinar matahari itu sendiri mengontrak ruang antara lapisan atom dalam perovskit dua dimensi yang cukup untuk meningkatkan efisiensi bahan fotovoltaik hingga 18%, lompatan mengejutkan di area di mana kemajuan sering diukur dalam pecahan persen.

“Dalam 10 tahun, efisiensi perovskite telah meningkat dari sekitar 3% menjadi lebih dari 25%,” kata Moheti. Diperlukan semikonduktor lain sekitar 60 tahun untuk sampai ke sana. Itu sebabnya kami sangat bersemangat. “

Pencarian muncul di nanoteknologi alam.

Perovskit adalah senyawa dengan kisi kristal seperti kubus dan merupakan pemanen optik yang sangat efisien. Potensi mereka telah dikenal selama bertahun-tahun, tetapi mereka menghadirkan dilema: Mereka pandai mengubah sinar matahari menjadi energi, tetapi sinar matahari dan kelembaban menurunkannya.

“Teknologi sel surya diharapkan akan beroperasi selama 20 sampai 25 tahun,” kata Mohit, profesor teknik kimia dan biomolekuler, ilmu material dan nanoengineering. “Kami telah bekerja selama bertahun-tahun dan terus bekerja dengan sejumlah besar perovskit yang sangat efisien tetapi tidak stabil. Sebaliknya, perovskit 2D memiliki stabilitas yang luar biasa tetapi tidak cukup efisien untuk ditempatkan di permukaan.

“Masalah besarnya adalah membuatnya efektif tanpa mengorbankan stabilitas,” katanya.

Insinyur dan kolaborator beras di Universitas Purdue dan Northwestern, Laboratorium Nasional Departemen Energi AS Los Alamos, Argonne dan Brookhaven, dan Institut Elektronik dan Teknologi Digital (INSA) di Rennes, Prancis, menemukan bahwa di beberapa perovskit dua dimensi, sinar matahari dikurangi secara efektif. Jarak antar atom, meningkatkan kemampuan mereka untuk membawa arus.

Siraj Sedik, seorang mahasiswa pascasarjana di Rice University, sedang bersiap untuk memutar substrat dengan senyawa yang membeku dalam perovskit dua dimensi. Insinyur Rice telah menemukan bahwa tampilan perovskite menjanjikan untuk sel surya yang efisien dan kuat. Kredit: Jeff Fitlow/Rice University

“Kami menemukan bahwa ketika Anda menyalakan materi, Anda mengompresnya seperti spons dan menyatukan lapisan untuk meningkatkan transfer muatan ke arah itu,” kata Mohit. Para peneliti menemukan lapisan kation organik antara iodida di atas dan mendorong peningkatan interaksi antara lapisan di bawah.

“Pekerjaan ini memiliki implikasi penting untuk studi keadaan tereksitasi dan kuasipartikel di mana muatan positif pada satu lapisan dan muatan negatif pada lapisan lainnya dapat berbicara satu sama lain,” kata Mohit. “Ini disebut excitons, yang mungkin memiliki sifat unik.

“Efek ini telah memberi kita kesempatan untuk memahami dan mengadaptasi interaksi materi cahaya dasar ini tanpa menciptakan struktur heterogen yang kompleks seperti dichalcogenides logam transisi dua dimensi,” katanya.

Percobaan dikonfirmasi oleh model komputer oleh rekan-rekan di Prancis. “Studi ini memberikan kesempatan unik untuk menggabungkan teknik simulasi canggih, penyelidikan fisik menggunakan fasilitas sinkrotron nasional skala besar dan karakterisasi in-situ dari sel surya yang beroperasi,” kata Jackie Even, profesor fisika di INSA. Makalah ini menggambarkan untuk pertama kalinya bagaimana fenomena filtrasi tiba-tiba memicu aliran arus muatan dalam bahan perovskit.

Wenbin Li, seorang mahasiswa pascasarjana di Rice University, menyiapkan sel surya perovskit 2-D untuk pengujian di simulator surya. Insinyur beras telah meningkatkan efisiensi sel perovskit 2D sambil mempertahankan ketangguhannya. Kredit: Jeff Fitlow/Rice University

Kedua hasil menunjukkan bahwa setelah 10 menit di bawah simulator surya dengan kepadatan satu matahari, perovskit dua dimensi menyusut 0,4% panjangnya dan sekitar 1% dari atas ke bawah. Mereka menunjukkan bahwa efeknya dapat dilihat dalam satu menit di bawah intensitas matahari kelima.

“Kelihatannya tidak banyak, tetapi kontraksi 1% dalam jarak kisi ini mengarah pada peningkatan aliran elektron yang signifikan,” kata Wenbin Lee, seorang mahasiswa pascasarjana di Rice dan salah satu penulis utama. “Penelitian kami menunjukkan peningkatan tiga kali lipat dalam konduktivitas elektronik material.”

Pada saat yang sama, sifat mesh membuat material tidak mudah rusak, bahkan saat dipanaskan hingga 80 derajat Celsius (176 derajat F). Para peneliti juga menemukan bahwa kisi-kisi dengan cepat kembali ke bentuk normalnya setelah lampu dimatikan.

“Salah satu daya tarik utama perovskit 2D adalah mereka biasanya mengandung atom organik yang bertindak sebagai penghalang kelembaban, stabil secara termal dan memecahkan masalah migrasi ion,” kata Siraj Siddik, seorang mahasiswa pascasarjana dan penulis pendamping. “Perovskit 3D tunduk pada ketidakstabilan panas dan cahaya, jadi para peneliti mulai melapisi lapisan 2D di atas perovskit untuk melihat apakah mereka bisa mendapatkan yang terbaik dari keduanya.

“Kami berpikir, ‘Mari kita pergi dengan 2D saja dan membuatnya fungsional,’ katanya.

Mahasiswa pascasarjana Rice University Wenbin Lee, insinyur kimia dan biomolekuler Aditya Mohit, dan mahasiswa pascasarjana Siraj Sidhik memimpin proyek untuk memproduksi perovskit yang diperkuat dua dimensi untuk sel surya yang efisien. Kredit: Jeff Fitlow/Rice University

Untuk memantau kontraksi material dalam tindakan, tim menggunakan dua fasilitas pengguna Office of Science (DOE) Office of Science (DOE) AS: Sumber Cahaya Synchrotron Nasional II di Laboratorium Nasional Brookhaven Departemen Energi dan Sumber Foton Lanjutan (APS) di Departemen Energi Argonne National. Laboratorium.

Fisikawan Argonne Joe Strzalka, rekan penulis di atas kertas, menggunakan sinar-X ultra-terang APS untuk menangkap perubahan struktural kecil pada material secara real time. Instrumen sensitif di Beamline 8-ID-E memungkinkan APS untuk melakukan studi “operando”, yaitu studi yang dilakukan saat instrumen mengalami perubahan suhu atau lingkungan yang terkendali dalam kondisi pengoperasian normal. Dalam kasus ini, Strzalka dan rekan mengekspos bahan fotoaktif dari sel surya untuk mensimulasikan sinar matahari sambil menjaga suhu konstan, dan mereka mengamati kontraksi kecil pada tingkat atom.

Sebagai eksperimen kontrol, Strzalka dan rekan-rekannya juga membuat ruangan tetap gelap dan menaikkan suhu, memperhatikan efek sebaliknya—pemuaian material. Ini menunjukkan bahwa cahaya itu sendiri, bukan panas yang dihasilkannya, yang menyebabkan transformasi.

“Untuk perubahan seperti itu, penting untuk melakukan studi opera,” kata Strzalka. “Dengan cara yang sama seperti mekanik Anda ingin menghidupkan mesin Anda untuk melihat apa yang terjadi di dalam, kami pada dasarnya ingin mengambil video shift itu daripada satu bidikan. Utilitas seperti APS memungkinkan kami melakukan itu.”

Strzalka mencatat bahwa APS berada di tengah-tengah peningkatan besar yang akan meningkatkan kecerahan sinar-X hingga 500 kali lipat. Ketika selesai, katanya, sinar yang lebih terang dan lebih cepat, detektor yang lebih jelas akan meningkatkan kemampuan ilmuwan untuk mendeteksi perubahan ini dengan lebih sensitif.

Ini dapat membantu tim Rice memodifikasi materi untuk kinerja yang lebih baik. “Kami berada di jalur yang tepat untuk mendapatkan efisiensi lebih dari 20% dengan kation dan antarmuka rekayasa,” kata teman Anda. “Ini akan mengubah segalanya di bidang perovskit, karena kemudian orang akan mulai menggunakan perovskit 2D untuk perovskit/silikon 2D dan sinonim perovskit 2D/3D, yang memungkinkan efisiensi mendekati 30%. Ini akan membuatnya menarik untuk pemasaran.”

Referensi: “Penyusutan Interlayer yang Diaktifkan Ringan dalam Perovskite Dua Dimensi untuk Sel Surya Efisiensi Tinggi” oleh Wenbin Li, Siraj Seddhik, Boubacar Traore, Reza Asadpour, Jin Ho, Hao Zhang, Austin Ver, Joseph Eismann, Yaffee Wang dan Justin M . Hoffman, Ioannis Spanopoulos, Jared J. Crochet, Esther Tsai, Joseph Strzalka, Claudine Cattan, Muhammad A. Alam, Mercury J. Kanatzidis, Jackie Even, Jean-Christophe Blancon dan Aditya D. Mohti, 22 November 2021, Tersedia di sini. Nanoteknologi alam.
DOI: 10.1038 / s41565-021-01010-2

Rekan penulis makalah ini adalah mahasiswa pascasarjana Rice Jin Ho, Hao Zhang dan Austin Fehr, mahasiswa sarjana Joseph Eastman dan mahasiswa pertukaran Yaffe Wang, dan rekan penulis Jean-Christophe Blancun, seorang ilmuwan senior di lab Mohit; Boubacar Traore, Claudine Cattan dari INSA; Reza Asadpour dan Muhammad Alam dari Bordeaux; Justin Hoffman, Ioannis Spanopoulos dan Mercury Kanatzidis dari Northwest; Jared dirajut oleh Los Alamos dan Esther Tsai oleh Brookhaven.

Kantor Penelitian Angkatan Darat, Institut Akademik Prancis, Yayasan Sains Nasional (20-587, 1724728), Kantor Penelitian Angkatan Laut (N00014-20-1-2725) dan Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi (AC02-06CH11357) mendukung penelitian.