Las células solares ultradelgadas que utilizan perovskitas 2D obtienen un impulso

Una capa bidimensional de un compuesto de perovskita es la base de una célula solar eficiente que podría resistir el desgaste ambiental, a diferencia de las perovskitas anteriores. Los ingenieros de la Universidad de Rice elevaron la eficiencia fotovoltaica de las perovskitas 2D hasta en un 18%. Crédito: Jeff Fitlow / Rice University

El laboratorio de arroz encuentra que el compuesto de perovskita 2D tiene el material adecuado para desafiar productos más voluminosos.

Los ingenieros de la Universidad de Rice han logrado un nuevo punto de referencia en el diseño de células solares atómicamente delgadas hechas de perovskitas semiconductoras, aumentando su eficiencia y manteniendo su capacidad para resistir el medio ambiente.

El laboratorio de Aditya Mohite de la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Rice descubrió que la luz solar contrae el espacio entre las capas atómicas en perovskitas 2D lo suficiente como para mejorar la eficiencia fotovoltaica del material hasta en un 18%, un salto asombroso en un campo donde el progreso es a menudo medido en fracciones de un porcentaje.

“En 10 años, las eficiencias de las perovskitas se han disparado de alrededor del 3% a más del 25%”, dijo Mohite. “Otros semiconductores han tardado unos 60 años en llegar allí. Por eso estamos tan emocionados “.

La investigación aparece en Nanotecnología de la naturaleza.

Las perovskitas son compuestos que tienen celosías de cristal en forma de cubos y son recolectores de luz altamente eficientes. Su potencial se conoce desde hace años, pero presentan un acertijo: son buenos para convertir la luz solar en energía, pero la luz solar y la humedad los degradan.

“Se espera que una tecnología de células solares funcione durante 20 a 25 años”, dijo Mohite, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular y de ciencia de materiales y nanoingeniería. “Llevamos muchos años trabajando y seguimos trabajando con perovskitas a granel que son muy eficientes pero no tan estables. Por el contrario, las perovskitas 2D tienen una estabilidad tremenda pero no son lo suficientemente eficientes como para colocarlas en un techo.

“El gran problema ha sido hacerlos eficientes sin comprometer la estabilidad”, dijo.

Los ingenieros de Rice y sus colaboradores en las universidades de Purdue y Northwestern, los laboratorios nacionales del Departamento de Energía de EE. UU. Los Alamos, Argonne y Brookhaven y el Instituto de Electrónica y Tecnologías Digitales (INSA) en Rennes, Francia, descubrieron que en ciertas perovskitas 2D, la luz solar efectivamente se contrae. el espacio entre los átomos, mejorando su capacidad para transportar una corriente.

Perovskita 2D Spin Coat

El estudiante graduado de la Universidad de Rice, Siraj Sidhik, se prepara para aplicar una capa giratoria a un sustrato con un compuesto que se solidifica en una perovskita 2D. Los ingenieros de Rice han descubierto que la perovskita es prometedora para células solares robustas y eficientes. Crédito: Jeff Fitlow / Rice University

“Descubrimos que cuando se enciende el material, se aprieta como una esponja y se juntan las capas para mejorar el transporte de carga en esa dirección”, dijo Mohite. Los investigadores encontraron que colocar una capa de cationes orgánicos entre el yoduro en la parte superior y el plomo en la parte inferior mejoraba las interacciones entre las capas.

“Este trabajo tiene implicaciones significativas para el estudio de estados excitados y cuasipartículas en las que una carga positiva se encuentra en una capa y la carga negativa en la otra y pueden comunicarse entre sí”, dijo Mohite. “Estos se llaman excitones, que pueden tener propiedades únicas.

“Este efecto nos ha dado la oportunidad de comprender y adaptar estas interacciones fundamentales luz-materia sin crear heteroestructuras complejas como dicalcogenuros de metales de transición 2D apilados”, dijo.

Los experimentos fueron confirmados por modelos informáticos de colegas en Francia. “Este estudio ofreció una oportunidad única para combinar técnicas de simulación ab initio de vanguardia, investigaciones de materiales utilizando instalaciones de sincrotrón nacional a gran escala y caracterizaciones in situ de células solares en funcionamiento”, dijo Jacky Even, profesor de física en INSA. “El artículo describe por primera vez cómo un fenómeno de percolación libera repentinamente el flujo de corriente de carga en un material de perovskita”.

Célula solar de perovskita 2D para pruebas

El estudiante graduado de la Universidad de Rice, Wenbin Li, prepara una celda solar de perovskita 2D para probarla en un simulador solar. Los ingenieros de Rice aumentaron la eficiencia de las células hechas de perovskitas bidimensionales al tiempo que mantuvieron su dureza. Crédito: Jeff Fitlow / Rice University

Ambos resultados mostraron que después de 10 minutos bajo un simulador solar a la intensidad de un sol, las perovskitas 2D se contrajeron un 0,4% a lo largo de su longitud y aproximadamente un 1% de arriba a abajo. Demostraron que el efecto se puede ver en 1 minuto bajo la intensidad de cinco sol.

“No parece mucho, pero esta contracción del 1% en el espaciado de la red induce una gran mejora del flujo de electrones”, dijo el estudiante graduado de Rice y coautor principal Wenbin Li. “Nuestra investigación muestra un aumento de tres veces en la conducción de electrones del material”.

Al mismo tiempo, la naturaleza de la celosía hizo que el material fuera menos propenso a degradarse, incluso cuando se calentaba a 80 grados. Celsius (176 grados Fahrenheit). Los investigadores también encontraron que la celosía se relajó rápidamente a su configuración normal una vez que se apagó la luz.

“Uno de los principales atractivos de las perovskitas 2D era que generalmente tienen átomos orgánicos que actúan como barreras a la humedad, son térmicamente estables y resuelven problemas de migración de iones”, dijo el estudiante graduado y coautor principal Siraj Sidhik. “Las perovskitas 3D son propensas a la inestabilidad del calor y la luz, por lo que los investigadores comenzaron a colocar capas 2D encima de perovskitas a granel para ver si podían obtener lo mejor de ambas.

“Pensamos, simplemente pasemos a 2D y hagámoslo eficiente”, dijo.

Wenbin Li, Aditya Mohite y Siraj Sidhik

El estudiante graduado de la Universidad Rice Wenbin Li, el ingeniero químico y biomolecular Aditya Mohite y el estudiante graduado Siraj Sidhik lideraron el proyecto para producir perovskitas 2D endurecidas para células solares eficientes. Crédito: Jeff Fitlow / Rice University

Para observar la contracción del material en acción, el equipo hizo uso de dos instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE): la Fuente de Luz Nacional Sincrotrón II en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE y la Fuente de Fotones Avanzados (APS) en el Argonne National del DOE. Laboratorio.

El físico de Argonne Joe Strzalka, coautor del artículo, utilizó los rayos X ultrabrillantes del APS para capturar minúsculos cambios estructurales en el material en tiempo real. Los instrumentos sensibles en la línea de luz 8-ID-E del APS permiten estudios de “funcionamiento”, es decir, aquellos realizados mientras el dispositivo está experimentando cambios controlados de temperatura o ambiente en condiciones normales de funcionamiento. En este caso, Strzalka y sus colegas expusieron el material fotoactivo de la célula solar a la luz solar simulada mientras mantenían la temperatura constante, y observaron pequeñas contracciones a nivel atómico.

Como experimento de control, Strzalka y sus coautores también mantuvieron la habitación a oscuras y elevaron la temperatura, observando el efecto opuesto: una expansión del material. Esto mostró que fue la luz en sí misma, no el calor que generó, lo que causó la transformación.

“Para cambios como este, es importante hacer estudios operando”, dijo Strzalka. “De la misma manera que su mecánico quiere hacer funcionar su motor para ver lo que está sucediendo dentro de él, básicamente queremos tomar un video de esta transformación en lugar de una sola instantánea. Instalaciones como el APS nos permiten hacer eso “.

Strzalka señaló que el APS se encuentra en medio de una importante actualización que aumentará el brillo de sus rayos X hasta 500 veces. Cuando esté completo, dijo, los rayos más brillantes y los detectores más rápidos y nítidos mejorarán la capacidad de los científicos para detectar estos cambios con aún más sensibilidad.

Eso podría ayudar al equipo de Rice a modificar los materiales para obtener un rendimiento aún mejor. “Estamos en camino de obtener una eficiencia superior al 20% mediante la ingeniería de los cationes y las interfaces”, dijo Sidhik. “Cambiaría todo en el campo de las perovskitas, porque entonces la gente comenzaría a usar perovskitas 2D para tándems de perovskita / silicio 2D y perovskita 2D / 3D, lo que podría permitir eficiencias cercanas al 30%. Eso lo haría atractivo para la comercialización “.

Referencia: “Contracción entre capas activada por luz en perovskitas bidimensionales para células solares de alta eficiencia” por Wenbin Li, Siraj Sidhik, Boubacar Traore, Reza Asadpour, Jin Hou, Hao Zhang, Austin Fehr, Joseph Essman, Yafei Wang, Justin M . Hoffman, Ioannis Spanopoulos, Jared J. Crochet, Esther Tsai, Joseph Strzalka, Claudine Katan, Muhammad A. Alam, Mercouri G. Kanatzidis, Jacky Even, Jean-Christophe Blancon y Aditya D. Mohite, 22 de noviembre de 2021, Nanotecnología de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41565-021-01010-2

Los coautores del artículo son los estudiantes graduados de Rice Jin Hou, Hao Zhang y Austin Fehr, el estudiante universitario Joseph Essman, el estudiante de intercambio Yafei Wang y el coautor para correspondencia Jean-Christophe Blancon, científico senior en el laboratorio Mohite; Boubacar Traore, Claudine Katan en INSA; Reza Asadpour y Muhammad Alam de Purdue; Justin Hoffman, Ioannis Spanopoulos y Mercouri Kanatzidis de Northwestern; Jared Crochet de Los Alamos y Esther Tsai de Brookhaven.

La Oficina de Investigación del Ejército, el Instituto Académico de Francia, la Fundación Nacional de Ciencias (20-587, 1724728), la Oficina de Investigación Naval (N00014-20-1-2725) y la Oficina de Ciencias del DOE (AC02-06CH11357) apoyaron la investigar.


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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