페로브스카이트 화합물의 2차원 층은 기존 페로브스카이트와 달리 환경 부식을 견딜 수 있는 효율적인 태양 전지의 기반이 됩니다. Rice University의 엔지니어들은 2차원 페로브스카이트의 광전지 효율을 18%까지 높였습니다. 크레딧: Jeff Fitlow/Rice University
쌀 연구실은 2D 페로브스카이트 복합체가 더 큰 제품에 도전하는 데 적합한 성분을 포함하고 있음을 발견했습니다.
Rice University의 엔지니어들은 원자 두께의 반도체 페로브스카이트 태양 전지를 설계하는 데 있어 새로운 표준을 설정하여 효율성을 높이면서도 환경 친화적입니다.
Rice의 George Brown School of Engineering의 Aditya Mohite 연구소는 태양광 자체가 2차원 페로브스카이트에서 원자층 사이의 공간을 수축시켜 태양광 재료의 효율을 최대 18%까지 향상시킬 수 있다는 것을 발견했습니다. 종종 백분율로 측정됩니다.
“10년 동안 페로브스카이트의 효율은 약 3%에서 25% 이상으로 증가했습니다.”라고 Moheti가 말했습니다. 다른 반도체가 거기에 도달하는 데 약 60년이 걸렸습니다. 그래서 우리는 매우 흥분됩니다. “
에 검색이 나타납니다. 자연나노기술.
페로브스카이트는 정육면체와 같은 결정 격자를 가진 화합물이며 고효율 광학 수확기입니다. 그들의 잠재력은 수년 동안 알려졌지만 딜레마가 있습니다. 그들은 햇빛을 에너지로 변환하는 데 능숙하지만 햇빛과 습기가 그들을 저하시킵니다.
“태양 전지 기술은 20~25년 동안 작동할 것으로 예상됩니다.”라고 화학 및 생체 분자 공학, 재료 과학 및 나노 공학 부교수인 Mohit이 말했습니다. “우리는 수년 동안 매우 효율적이지만 안정적이지 않은 대량의 페로브스카이트에 대해 계속 작업해 왔습니다. 대조적으로 2D 페로브스카이트는 엄청난 안정성을 갖지만 표면에 배치할 만큼 효율적이지 않습니다.
“큰 문제는 안정성을 손상시키지 않으면서 효과적으로 만드는 것이었습니다.”라고 그는 말했습니다.
퍼듀 대학교와 노스웨스턴 대학교, 미국 에너지부의 로스 알라모스, 아르곤 및 브룩헤이븐 국립 연구소, 프랑스 렌에 있는 전자 및 디지털 기술 연구소(INSA)의 라이스 엔지니어와 공동 작업자는 일부 2차원 페로브스카이트에서 햇빛이 효과적으로 감소됩니다. 원자 사이의 거리, 전류 전달 능력 향상.
Rice University의 대학원생인 Siraj Sedik은 2차원 페로브스카이트에서 동결되는 화합물로 기판을 회전시킬 준비를 하고 있습니다. 라이스 엔지니어들은 페로브스카이트 디스플레이가 효율적이고 견고한 태양 전지에 유망하다는 것을 발견했습니다. 크레딧: Jeff Fitlow/Rice University
“우리는 물질에 불을 붙일 때 스펀지처럼 압축하고 그 방향으로의 전하 이동을 향상시키기 위해 층을 함께 모으는 것을 발견했습니다.”라고 Mohit이 말했습니다. 연구원들은 맨 위의 요오드화물 사이에 유기 양이온을 층화하고 맨 아래 층 사이의 개선된 상호 작용을 유도하는 것을 발견했습니다.
“이 연구는 한 층의 양전하와 다른 층의 음전하가 서로 대화할 수 있는 들뜬 상태와 준입자 연구에 중요한 의미가 있습니다.”라고 Mohit이 말했습니다. “이것을 엑시톤이라고 하며 고유한 특성을 가질 수 있습니다.
“이 효과는 우리에게 2차원 전이 금속 디칼코게나이드와 같은 복잡한 이종 구조를 생성하지 않고 이러한 기본적인 광물질 상호작용을 이해하고 적용할 수 있는 기회를 주었습니다.”라고 그는 말했습니다.
실험은 프랑스의 동료들에 의해 컴퓨터 모델에 의해 확인되었습니다. INSA의 물리학 교수인 Jackie Even은 “이 연구는 최첨단 시뮬레이션 기술, 대규모 국가 싱크로트론 시설을 사용한 물리적 조사 및 운영 중인 태양 전지의 현장 특성화를 결합할 수 있는 독특한 기회를 제공했습니다.”라고 말했습니다. “이 논문은 여과 현상이 어떻게 갑자기 페로브스카이트 물질에서 전하 전류의 흐름을 유발하는지 처음으로 묘사합니다.”
Rice University의 대학원생인 Wenbin Li는 태양광 시뮬레이터에서 테스트하기 위해 2차원 페로브스카이트 태양 전지를 준비합니다. 쌀 엔지니어들은 인성을 유지하면서 2D 페로브스카이트 전지의 효율성을 높였습니다. 크레딧: Jeff Fitlow/Rice University
두 결과 모두 태양 밀도가 하나인 태양광 시뮬레이터에서 10분 후 2차원 페로브스카이트가 위에서 아래로 길이가 0.4%, 약 1% 줄어들었다는 것을 보여주었습니다. 그들은 그 효과가 다섯 번째 태양의 강도 아래에서 1분 안에 나타날 수 있음을 보여주었다.
라이스의 대학원생이자 공동 저자인 Wenbin Lee는 “많이 보이지는 않지만 격자 간격이 1% 수축하면 전자 흐름이 크게 향상됩니다. “우리 연구는 재료의 전자 전도도가 3배 증가함을 보여줍니다.”
동시에 메쉬의 특성으로 인해 80도까지 가열되어도 소재가 손상되기 쉽지 않습니다. 섭씨 (176도 NS). 연구원들은 또한 빛이 꺼지면 격자가 빠르게 정상 모양으로 다시 이완된다는 것을 발견했습니다.
대학원생이자 공동 주저자인 Siraj Siddik은 “2D 페로브스카이트의 주요 매력 중 하나는 일반적으로 수분 장벽 역할을 하고 열적으로 안정하며 이온 이동 문제를 해결하는 유기 원자를 포함한다는 것입니다. “3D 페로브스카이트는 열과 빛의 불안정성에 영향을 받기 때문에 연구원들은 페로브스카이트 위에 2D 레이어를 쌓기 시작하여 둘 중 가장 좋은 것을 얻을 수 있는지 확인했습니다.
“우리는 ‘2D로만 가서 기능적으로 만들자’고 생각했습니다.”라고 그는 말했습니다.
Rice University 대학원생 Wenbin Lee, 화학 및 생체 분자 엔지니어 Aditya Mohit, 대학원생 Siraj Sidhik은 효율적인 태양 전지를 위한 2차원 강화 페로브스카이트 생산 프로젝트를 주도했습니다. 크레딧: Jeff Fitlow/Rice University
재료의 수축 작용을 모니터링하기 위해 팀은 두 개의 미국 에너지부(DOE) 과학실(DOE) 과학실 사용자 시설인 에너지부 브룩헤이븐 국립 연구소의 국립 싱크로트론 광원 II와 고급 광자 광원을 사용했습니다. (APS) 에너지부의 아르곤 내셔널에서. 랩.
이 논문의 공동 저자인 아르곤 물리학자인 Joe Strzalka는 APS의 초고휘도 X선을 사용하여 물질의 작은 구조적 변화를 실시간으로 포착했습니다. Beamline 8-ID-E의 민감한 기기를 통해 APS는 “오페란도” 연구, 즉 기기가 정상 작동 조건에서 온도 또는 환경의 제어된 변화를 겪는 동안 수행되는 연구를 수행할 수 있습니다. 이 경우 Strzalka와 동료들은 온도를 일정하게 유지하면서 태양광을 시뮬레이션하기 위해 태양 전지의 광활성 물질을 노출시켰고 원자 수준에서 작은 수축을 관찰했습니다.
대조 실험으로 Strzalka와 그의 동료들은 또한 방을 어둡게 유지하고 온도를 높인 결과 반대 효과인 물질의 팽창을 알아차렸습니다. 이것은 변형을 일으킨 것이 생성된 열이 아니라 빛 자체라는 것을 보여주었습니다.
“이러한 변화를 위해서는 오페라 연구를 하는 것이 중요합니다.”라고 Strzalka가 말했습니다. “당신의 정비공이 엔진을 시동하여 내부에서 무슨 일이 일어나는지 보고 싶어하는 것과 같은 방식으로, 우리는 기본적으로 단일 샷이 아닌 그 변화를 비디오로 찍고 싶어합니다. APS와 같은 유틸리티를 사용하면 그렇게 할 수 있습니다.”
Strzalka는 APS가 X선 밝기를 최대 500배까지 증가시키는 주요 업그레이드 중이라고 말했습니다. 완성되면 더 밝은 광선과 더 빠르고 더 선명한 감지기가 과학자들이 이러한 변화를 더 민감하게 감지하는 능력을 향상시킬 것이라고 그는 말했습니다.
이것은 Rice 팀이 더 나은 성능을 위해 재료를 수정하는 데 도움이 될 수 있습니다. “우리는 양이온과 인터페이스를 엔지니어링하여 20% 이상의 효율성을 달성하는 궤도에 있습니다.”라고 친구가 말했습니다. “그것은 페로브스카이트 분야의 모든 것을 바꿀 것입니다. 왜냐하면 사람들이 2D 페로브스카이트/실리콘 및 2D/3D 페로브스카이트 동의어에 대해 2D 페로브스카이트를 사용하기 시작할 것이기 때문에 효율성이 30%에 가까워질 수 있기 때문입니다. 이는 마케팅에 매력적으로 만들 것입니다.”
참조: Wenbin Li, Siraj Seddhik, Boubacar Traore, Reza Asadpour, Jin Ho, Hao Zhang, Austin Ver, Joseph Eismann, Yaffee Wang 및 Justin M의 “고효율 태양 전지를 위한 2차원 페로브스카이트의 광 활성화 중간층 수축” . Hoffman, Ioannis Spanopoulos, Jared J. Crochet, Esther Tsai, Joseph Strzalka, Claudine Cattan, Muhammed A. Alam, Mercury J. Kanatzidis, Jackie Even, Jean-Christophe Blancon 및 Aditya D. Mohti, 2021년 11월 22일, 여기에서 사용 가능. 자연의 나노기술.
DOI: 10.1038 / s41565-021-01010-2
이 논문의 공동 저자는 라이스 대학원생인 Jin Ho, Hao Zhang 및 Austin Fehr, 학부 Joseph Eastman 및 교환 학생 Yaffe Wang, 공동 저자인 Jean-Christophe Blancun, Mohit 연구실의 선임 과학자입니다. Boubacar Traore, INSA의 Claudine Cattan; 보르도 출신의 Reza Asadpour와 Muhammad Alam; Justin Hoffman, Ioannis Spanopoulos 및 노스웨스트의 Mercury Kanatzidis; Jared는 Los Alamos가 뜨개질을 하고 Esther Tsai는 Brookhaven이 뜨개질을 합니다.
육군연구소, 프랑스 학술원, 국립과학재단(20-587, 1724728), 해군연구소(N00014-20-1-2725), 에너지부 과학실(AC02-06CH11357)에서 연구를 지원했다.
