طفرة في الطاقة الشمسية: خلايا شمسية فائقة الرقة.
باستخدام Perovskites ثنائية الأبعاد.
يجد معمل Rice أن مركب البيروفسكايت ثنائي الأبعاد يحتوي على العناصر المناسبة لتحدي المنتجات الأكبر حجمًا.
حقق مهندسو جامعة رايس معيارًا جديدًا في تصميم الخلايا الشمسية الرقيقة ذريًا المصنوعة من البيروفسكايت شبه الموصلة.
مما يعزز كفاءتها مع الاحتفاظ بقدرتها على مواجهة البيئة.
اكتشف مختبر Aditya Mohite التابع لكلية جورج براون للهندسة في رايس أن ضوء الشمس نفسه ينقبض المسافة بين الطبقات الذرية في البيروفسكايت ثنائي الأبعاد بما يكفي لتحسين كفاءة المواد الكهروضوئية بنسبة تصل إلى 18٪ ، وهي قفزة مذهلة في مجال غالبًا ما يكون فيه التقدم تقاس في كسور من نسبة مئوية.
قال موهيتي:
"في 10 سنوات ، ارتفعت كفاءة البيروفسكايت من حوالي 3٪ إلى أكثر من 25٪".
لقد استغرقت أشباه الموصلات الأخرى حوالي 60 عامًا للوصول إلى هناك.
لهذا السبب نحن متحمسون جدا".
البيروفسكايت عبارة عن مركبات لها شبكات بلورية تشبه المكعبات وهي عبارة عن حصادات ضوئية عالية الكفاءة.
تُعرف إمكاناتهم لسنوات ، لكنهم يمثلون معضلة:
إنهم جيدون في تحويل ضوء الشمس إلى طاقة ، لكن ضوء الشمس والرطوبة تحطمنهم.
قال موهيت ، الأستاذ المشارك في الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية وعلوم المواد والهندسة النانوية:
"من المتوقع أن تعمل تقنية الخلايا الشمسية لمدة 20 إلى 25 عامًا".
"لقد عملنا لسنوات عديدة ونستمر في العمل مع كميات كبيرة من البيروفسكايت التي تتميز بكفاءة عالية ولكنها ليست مستقرة.
في المقابل ، تتمتع البيروفسكايت ثنائية الأبعاد بثبات هائل ولكنها ليست فعالة بما يكفي لوضعها على سطح.
وقال: "كانت القضية الكبرى هي جعلها فعالة دون المساس بالاستقرار".
اكتشف مهندسو رايس والمتعاونون معهم في جامعتي بوردو ونورث وسترن ، ومختبرات وزارة الطاقة الأمريكية الوطنية لوس ألاموس وأرجون وبروكهافن ومعهد الإلكترونيات والتقنيات الرقمية (INSA) في رين بفرنسا:
أنه في بعض البيروفسكايت ثنائي الأبعاد ، يتقلص ضوء الشمس بشكل فعال.
المسافة بين الذرات ، وتحسين قدرتها على حمل التيار.
قال موهيت:
"وجدنا أنك عندما تضيء المادة ، فإنك تضغط عليها نوعًا ما مثل الإسفنج وتجمع الطبقات معًا لتعزيز نقل الشحنة في هذا الاتجاه".
وجد الباحثون وضع طبقة من الكاتيونات العضوية بين اليوديد في الأعلى وقيادة التفاعلات المحسنة بين الطبقات في الأسفل.
قال موهيت:
"هذا العمل له آثار مهمة على دراسة الحالات المثارة وأشباه الجسيمات التي تقع فيها شحنة موجبة على طبقة واحدة والشحنة السالبة على الأخرى ويمكنهما التحدث مع بعضهما البعض".
"تسمى هذه الأكسيتونات ، والتي قد يكون لها خصائص فريدة.
قال: "لقد منحنا هذا التأثير الفرصة لفهم وتكييف تفاعلات المادة الخفيفة الأساسية هذه دون إنشاء بنى غير متجانسة معقدة مثل مركبات ثنائي كالكوجينيدات معدنية انتقالية ثنائية الأبعاد".
تم تأكيد التجارب بواسطة نماذج الكمبيوتر بواسطة زملاء في فرنسا.
قال جاكي إيفن ، أستاذ الفيزياء في INSA:
"أتاحت هذه الدراسة فرصة فريدة للجمع بين أحدث تقنيات المحاكاة في البداية ، والتحقيقات المادية باستخدام مرافق السنكروترون الوطنية واسعة النطاق والتوصيفات في الموقع للخلايا الشمسية قيد التشغيل".
"تصور الورقة لأول مرة كيف تطلق ظاهرة الترشيح فجأة تدفق تيار الشحن في مادة البيروفسكايت."
أظهرت كلتا النتيجتين أنه بعد 10 دقائق تحت جهاز محاكاة الطاقة الشمسية بكثافة شمس واحدة ، تقلص البيروفسكايت ثنائي الأبعاد بنسبة 0.4٪ بطولها وحوالي 1٪ من الأعلى إلى الأسفل.
أظهروا أن التأثير يمكن رؤيته في دقيقة واحدة تحت كثافة الشمس الخامسة.
قال وينبين لي ، طالب الدراسات العليا في رايس والمؤلف الرئيسي المشارك:
"لا يبدو الأمر كثيرًا ، لكن هذا الانكماش بنسبة 1٪ في التباعد الشبكي يؤدي إلى تعزيز كبير لتدفق الإلكترون".
"يُظهر بحثنا زيادة بمقدار ثلاثة أضعاف في التوصيل الإلكتروني للمادة."
في الوقت نفسه ، جعلت طبيعة الشبكة المادة أقل عرضة للتلف ، حتى عند تسخينها إلى 80 درجة مئوية (176 درجة فهرنهايت).
ووجد الباحثون أيضًا أن الشبكة استرخاء بسرعة إلى شكلها الطبيعي بمجرد إطفاء الضوء.
قال سراج ، طالب الدراسات العليا والمؤلف الرئيسي المشارك:
"أحد عوامل الجذب الرئيسية للبيروفسكايت ثنائي الأبعاد هو أنها تحتوي عادةً على ذرات عضوية تعمل كحواجز للرطوبة ، ومستقرة حرارياً وتحل مشاكل هجرة الأيونات".
"البيروفسكايت ثلاثي الأبعاد عرضة للحرارة وعدم استقرار الضوء ، لذلك بدأ الباحثون في وضع طبقات ثنائية الأبعاد على الجزء العلوي من البيروفسكايت لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم الحصول على أفضل ما في الاثنين.
قال: "اعتقدنا ، دعونا ننتقل فقط إلى 2D فقط ونجعلها فعالة".
لمراقبة تقلص المواد أثناء العمل ، استخدم الفريق اثنين من مرافق المستخدمين التابعة لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE): National Synchrotron Light Source II في مختبر Brookhaven الوطني التابع لوزارة الطاقة ومصدر الفوتون المتقدم (APS) في Argonne National التابع لوزارة الطاقة.
استخدم عالم الفيزياء في Argonne Joe Strzalka ، وهو مؤلف مشارك في الورقة ، الأشعة السينية فائقة السطوع لـ APS لالتقاط تغييرات هيكلية صغيرة في المادة في الوقت الفعلي.
تسمح الأدوات الحساسة في Beamline 8-ID-E لـ APS بإجراء دراسات "operando" ، أي تلك التي يتم إجراؤها أثناء خضوع الجهاز لتغيرات محكومة في درجة الحرارة أو البيئة في ظل ظروف التشغيل العادية.
في هذه الحالة ، قام Strzalka وزملاؤه بتعريض المادة النشطة ضوئيًا من الخلية الشمسية لمحاكاة لأشعة الشمس مع الحفاظ على درجة الحرارة ثابتة ، ولاحظوا تقلصات صغيرة على المستوى الذري.
كتجربة تحكم ، أبقى Strzalka وزملاؤه أيضًا الغرفة مظلمة ورفعوا درجة الحرارة ، ملاحظين التأثير المعاكس - توسع المادة.
أظهر هذا أن الضوء نفسه ، وليس الحرارة التي يولدها ، هي التي تسببت في التحول.
قال سترزالكا:
"بالنسبة لتغييرات كهذه ، من المهم إجراء دراسات أوبراندو".
"بنفس الطريقة التي يريد الميكانيكي الخاص بك تشغيل المحرك الخاص بك لمعرفة ما يحدث بداخله ، نريد أساسًا أن نلتقط مقطع فيديو لهذا التحول بدلاً من لقطة واحدة.
تتيح لنا المرافق مثل APS القيام بذلك ".
أشار Strzalka إلى أن APS في خضم ترقية رئيسية ستزيد من سطوع الأشعة السينية بما يصل إلى 500 مرة.
وقال إنه عندما يكتمل ، ستعمل الحزم الأكثر سطوعًا وأجهزة الكشف الأسرع والأكثر وضوحًا على تحسين قدرة العلماء على اكتشاف هذه التغييرات بمزيد من الحساسية.
يمكن أن يساعد ذلك فريق رايس على تعديل المواد للحصول على أداء أفضل.
قال صديق:
"نحن في طريقنا للحصول على كفاءة أعلى من 20٪ من خلال هندسة الكاتيونات والواجهات".
"سيغير كل شيء في مجال البيروفسكايت ، لأنه بعد ذلك سيبدأ الناس في استخدام البيروفسكايت ثنائي الأبعاد لترادفات البيروفسكايت / السيليكون ثنائية الأبعاد وثنائية الأبعاد / ثلاثية الأبعاد من البيروفسكايت ، والتي يمكن أن تتيح كفاءة تقترب من 30٪. وهذا سيجعلها جذابة للتسويق ".
المرجع:Light-activated interlayer contraction in two-dimensional perovskites for high-efficiency solar cells by 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 and Aditya D. Mohite, 22 November 2021, Nature Nanotechnology.
تعليقات
إرسال تعليق