Ako ľudia
Niektoré materiály sú ako ľudia. Nechajte ich chvíľu odpočívať na slnku a vystupujú oveľa lepšie.
Spolupráca vedená univerzitou v Rice a Národným laboratóriom Los Alamos zistila, že je to prípad s perovskitovou zlúčeninou, ktorá je označovaná ako účinný materiál na zhromažďovanie slnečného svetla a jeho premenu na energiu.
Výskumníci vedú Aditya Mohite, vedúci štábu v Los Alamos, ktorý sa čoskoro stane profesorom v Rice; Wanyi Nie, tiež pracovník vedy v Los Alamos, a vedúci autor a študent Rice Hsinhan (Dave) Tsai zistili, že konštantné osvetlenie uvoľňuje napätie v kryštálovej mriežke perovskitu, čo mu umožňuje rovnomerné rozširovanie vo všetkých smeroch.
Rozšírenie vyrovná krištáľové roviny materiálu a vylieči chyby vo veľkom. To zase znižuje energetické bariéry na kontaktoch, čo uľahčuje pohyb elektronov cez systém a dodáva energiu zariadeniam.
To nielenže zlepšuje účinnosť premeny energie solárneho článku, ale tiež neohrozuje jeho fotostabilitu pri zanedbateľnej degradácii počas viac ako 1 500 hodín prevádzky pri nepretržitom slnečnom osvetlení 100 milliwattov na kubický centimeter.
Výskum, ktorý sa objavil tento týždeň vo vede, predstavuje podľa výskumných pracovníkov významný krok smerom k stabilným solárnym článkom na báze perovskitu pre technológie ďalšej generácie solárnych článkov a solárnych zdrojov.
"Hybridné štruktúry kryštálov perovskitu majú všeobecný vzorec AMX3, kde A je katión, M je dvojmocný kov a X je halogenid," povedal Mohite. "Je to polárny polovodič s priamym pásmovým priepasom, ktorý je podobný arsenidu gallia.
"Toto poskytuje perovskity s absorpčným koeficientom, ktorý je takmer o rádovo väčší ako arzenid gálium (bežný polovodič v solárnych článkoch) v celom slnečnom spektre," povedal. "Z toho vyplýva, že dostatočné množstvo absorbujúceho perovskitového filmu s hrúbkou 300 nanometrov je dostatočné na to, aby absorbovalo všetko dopadajúce slnečné svetlo." Naopak, kremík je materiál s nepriamym pásom, ktorý vyžaduje 1000-násobný materiál na absorbovanie rovnakého množstva slnečného svetla.
Mohite povedal, že vedci dlho hľadali efektívne hybridné perovskity, ktoré sú stabilné pri slnečnom svetle a pri okolitých podmienkach prostredia.
"Prostredníctvom tejto práce sme preukázali významný pokrok pri dosahovaní oboch týchto cieľov," povedal. "Naša perovskit na trojitý katión v kubickej mriežke vykazuje vynikajúcu teplotnú stabilitu pri viac ako 100 stupňoch Celsia (212 stupňov Celzia)."
Výskumníci vytvorili viac ako 30 polovodičových tenkovrstvových fólií založených na jodide s perovskitovými štruktúrami: Kryštalické kocky s atómami usporiadanými v pravidelných riadkoch a stĺpoch. Zmerali svoju schopnosť prenášať prúd a zistili, že keď je namočená svetlom, energetická bariéra medzi perovskitom a elektródami väčšinou zmizla, pretože väzby medzi atómami sa uvoľnili.
Boli prekvapení, že bariéra ostala zhasnutá 30 minút po vypnutí svetla. Pretože sa filmy udržiavali pri konštantnej teplote počas pokusov, vedci boli schopní eliminovať teplo ako možnú príčinu rozšírenia mreže.
Merania ukázali, že hybridné perovskitové zariadenie "šampión" zvýšilo svoju účinnosť premeny energie z 18,5% na 20,5%. V priemere mali všetky bunky zvýšenú účinnosť nad 19 percent. Mohit povedal, že perovskity používané v štúdii boli 7 percent z maximálnej možnej účinnosti jednokotunej solárnej bunky.
Povedal, že účinnosť buniek bola takmer dvojnásobná ako u všetkých ostatných fotovoltaických technológií spracovaných riešením a o 5 percent nižších ako komerčných fotovoltaických článkov na báze kremíka. Ponechali si 85% svojej špičkovej účinnosti po 800 hodinách nepretržitej prevádzky v maximálnom bode výkonu a ich prúdová hustota nevykazovala žiadnu foto-indukovanú degradáciu počas celých 1500 hodín.
"Táto práca urýchli vedecké porozumenie potrebné na dosiahnutie stabilných perovskitových solárnych článkov," povedal Mohite. "Otvára nové smerovanie pre objavovanie fáz a vznikajúceho správania, ktoré vznikajú z dynamickej štrukturálnej povahy alebo mäkkosti perovskitovej mriežky."
Vedúci výskumníci uviedli, že štúdia presahuje fotovoltaiku, pretože prvýkrát spája štrukturálnu dynamiku vyvolanú svetlom so základnými spôsobmi elektronickej dopravy. Očakávajú, že to povedie k technológiám, ktoré využívajú svetlo, silu alebo iné externé spúšťače na prispôsobenie vlastností materiálov na báze perovskitu.