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

El laboratorio de arroz encuentra que el complejo de perovskita 2D contiene los ingredientes adecuados para desafiar productos más grandes.

Los ingenieros de la Universidad de Rice han establecido un nuevo estándar en el diseño de células solares delgadas atómicas hechas de semiconductores de perovskita, aumentando su eficiencia sin dejar de ser amigables con el medio ambiente.

El Laboratorio Aditya Mohite de la Escuela de Ingeniería George Brown en Rice descubrió que la luz solar contrae el espacio entre las capas atómicas en la perovskita bidimensional lo suficiente como para mejorar la eficiencia de los materiales fotovoltaicos hasta en un 18%, un salto asombroso en un área donde el progreso a menudo se mide en fracciones de porcentaje.

«En 10 años, la eficiencia de la perovskita ha pasado de alrededor del 3% a más del 25%», dijo Moheti. Otros semiconductores han tardado unos 60 años en llegar allí. Por eso estamos tan emocionados. «

La búsqueda aparece en Nanotecnología de la naturaleza.

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

«Se espera que la tecnología de células solares esté operativa durante 20 a 25 años», dijo Mohit, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular, ciencia de materiales y nanoingeniería. “Hemos trabajado durante muchos años y seguimos trabajando con grandes cantidades de perovskitas que son altamente eficientes pero no estables. En contraste, las perovskitas 2D tienen una estabilidad tremenda pero no son lo suficientemente eficientes para ser colocadas sobre una superficie.

«El gran problema era hacerlo efectivo sin comprometer la estabilidad», dijo.

Los ingenieros y colaboradores de Rice en las universidades de Purdue y Northwestern, los laboratorios nacionales de Los Alamos, Argonne y Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Y el Instituto de Electrónica y Tecnologías Digitales (INSA) en Rennes, Francia, descubrieron que en algunas perovskitas bidimensionales, la luz solar se reduce efectivamente. La distancia entre átomos, mejorando su capacidad para transportar corriente.

Siraj Sedik, un estudiante graduado de la Universidad de Rice, se está preparando para hilar un sustrato con un compuesto que se congela en perovskita bidimensional. Los ingenieros de Rice han descubierto que las pantallas de perovskita son prometedoras para células solares eficientes y robustas. Crédito: Jeff Fitlow / Rice University

«Descubrimos que cuando se ilumina el material, se comprime como una esponja y se juntan las capas para mejorar la transferencia de carga en esa dirección», dijo Mohit. Los investigadores encontraron capas de cationes orgánicos entre el yoduro en la parte superior e impulsaron las interacciones mejoradas entre las capas en la parte inferior.

«Este trabajo tiene implicaciones importantes para el estudio de estados excitados y cuasipartículas en los que una carga positiva en una capa y una carga negativa en la otra pueden comunicarse entre sí», dijo Mohit. «Estos se llaman excitones, que pueden tener propiedades únicas.

«Este efecto nos ha dado la oportunidad de comprender y adaptar estas interacciones básicas de luz-materia sin crear estructuras heterogéneas complejas como los dicalcogenuros de metales de transición bidimensionales», dijo.

Los experimentos fueron confirmados por modelos informáticos de colegas en Francia. «Este estudio brindó una oportunidad única para combinar técnicas de simulación de vanguardia, investigaciones físicas utilizando instalaciones de sincrotrón nacional a gran escala y caracterizaciones in situ de células solares en funcionamiento», dijo Jackie Even, profesora de física en INSA. «El artículo describe por primera vez cómo el fenómeno de filtración desencadena repentinamente el flujo de corriente de carga en un material de perovskita».

Wenbin Li, un estudiante graduado de la Universidad de Rice, prepara una celda solar de perovskita 2-D para probarla en un simulador solar. Los ingenieros de Rice han aumentado la eficiencia de las células de perovskita 2D manteniendo su tenacidad. Crédito: Jeff Fitlow / Rice University

Ambos resultados mostraron que después de 10 minutos bajo un simulador solar con una densidad de un sol, la perovskita bidimensional se encogió un 0,4% en longitud y aproximadamente un 1% de arriba a abajo. Demostraron que el efecto se puede ver en un minuto por debajo de la intensidad del quinto sol.

«No parece mucho, pero esta contracción del 1% en el espaciado de la red conduce a una mejora significativa del flujo de electrones», dijo Wenbin Lee, estudiante graduado de Rice y coautor principal. «Nuestra investigación muestra un triple aumento de la conductividad electrónica del material».

Al mismo tiempo, la naturaleza de la malla hizo que el material fuera menos susceptible a daños, incluso cuando se calentó a 80 grados. Celsius (176 grados F). Los investigadores también encontraron que la celosía se relajó rápidamente y volvió a su forma normal una vez que se apagó la luz.

“Uno de los principales atractivos de la perovskita 2D es que normalmente contienen átomos orgánicos que actúan como barreras contra la humedad, son térmicamente estables y resuelven problemas de migración de iones”, dijo Siraj Siddik, estudiante de posgrado y coautor principal. “Las perovskitas 3D están sujetas a la inestabilidad del calor y la luz, por lo que los investigadores comenzaron a colocar capas 2D encima de la perovskita para ver si podían obtener lo mejor de las dos.

«Pensamos, ‘vayamos solo con 2D y hagámoslo funcional», dijo.

El estudiante graduado de la Universidad Rice Wenbin Lee, el ingeniero químico y biomolecular Aditya Mohit y el estudiante graduado Siraj Sidhik lideraron el proyecto para producir perovskita reforzada bidimensional para células solares eficientes. Crédito: Jeff Fitlow / Rice University

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

El físico de Argonne Joe Strzalka, coautor del artículo, utilizó los rayos X ultrabrillantes de APS para capturar pequeños cambios estructurales en el material en tiempo real. Los instrumentos sensibles en Beamline 8-ID-E permiten que APS realice estudios de «operación», es decir, aquellos que se realizan mientras el instrumento está experimentando cambios controlados de temperatura o ambiente en condiciones normales de operación. En este caso, Strzalka y sus colegas expusieron el material fotoactivo de la célula solar para simular la luz solar mientras mantenían la temperatura constante, y observaron pequeñas contracciones a nivel atómico.

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

«Para tales cambios, es importante hacer estudios de ópera», dijo Strzalka. «De la misma manera que su mecánico quiere encender su motor para ver lo que está sucediendo adentro, básicamente queremos tomar un video de ese cambio en lugar de una sola toma. Las utilidades como APS nos permiten hacer eso».

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

Esto puede ayudar al equipo de Rice a modificar los materiales para un mejor rendimiento. «Estamos en camino de obtener más del 20% de eficiencia mediante la ingeniería de cationes e interfaces», dijo su amigo. «Cambiará todo en el campo de la perovskita, porque entonces la gente comenzará a usar perovskita 2D para sinónimos de perovskita / silicio 2D y perovskita 2D / 3D, que pueden permitir una eficiencia cercana al 30%. Esto lo hará atractivo para el marketing».

Referencia: “Contracción de la capa intermedia activada por luz en perovskita bidimensional para células solares de alta eficiencia” por Wenbin Li, Siraj Seddhik, Boubacar Traore, Reza Asadpour, Jin Ho, Hao Zhang, Austin Ver, Joseph Eismann, Yaffee Wang y Justin M . Hoffman, Ioannis Spanopoulos, Jared J. Crochet, Esther Tsai, Joseph Strzalka, Claudine Cattan, Muhammed A. Alam, Mercury J. Kanatzidis, Jackie Even, Jean-Christophe Blancon y Aditya D. Mohti, 22 de noviembre de 2021, disponible aquí. Nanotecnología de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41565-021-01010-2

Los coautores del artículo son los estudiantes graduados de Rice Jin Ho, Hao Zhang y Austin Fehr, el estudiante universitario Joseph Eastman y el estudiante de intercambio Yaffe Wang, y el coautor Jean-Christophe Blancun, científico senior en el laboratorio de Mohit; Boubacar Traore, Claudine Cattan del INSA; Reza Asadpour y Muhammad Alam de Burdeos; Justin Hoffman, Ioannis Spanopoulos y Mercury Kanatzidis del Noroeste; Jared está tejido a ganchillo por Los Alamos y Esther Tsai por Brookhaven.

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