2Dペロブスカイトを使用した超薄型太陽電池が後押し

ペロブスカイト化合物の2次元層は、以前のペロブスカイトとは異なり、環境腐食に耐えることができる効率的な太陽電池の基礎です。 ライス大学のエンジニアは、2次元ペロブスカイトの光起電力効率を18％も向上させました。 クレジット：Jeff Fitlow / Rice University

ライスラボは、2Dペロブスカイト複合体がより大きな製品に挑戦するための適切な成分を含んでいることを発見しました。

ライス大学のエンジニアは、ペロブスカイト半導体から作られた原子薄太陽電池の設計に新しい基準を設定し、環境に配慮しながら効率を高めました。

ライスのジョージブラウン工科大学のアディツアモハイト研究所は、太陽光自体が二次元ペロブスカイトの原子層間の空間を収縮させ、光起電材料の効率を最大18％向上させることを発見しました。これは、進歩している分野で驚異的な飛躍です。多くの場合、パーセントの何分の1かで測定されます。

「10年で、ペロブスカイトの効率は約3％から25％以上になりました」とMohetiは言いました。 他の半導体がそこにたどり着くまでに約60年かかりました。 だから私たちはとても興奮しています。 「」

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ペロブスカイトは、立方体のような結晶格子を持つ化合物であり、非常に効率的な光学ハーベスターです。 それらの可能性は何年も前から知られていますが、ジレンマがあります。太陽光をエネルギーに変換するのは得意ですが、太陽光と湿気によって劣化します。

「太陽電池技術は、20年から25年の運用が見込まれています」と、化学および生体分子工学、材料科学、ナノエンジニアリングの准教授であるMohitは述べています。 「私たちは長年働いており、非常に効率的であるが安定していない大量のペロブスカイトを扱い続けています。対照的に、2Dペロブスカイトは非常に安定していますが、表面に配置するには十分に効率的ではありません。

「大きな問題は、安定性を損なうことなく効果的にすることでした」と彼は言いました。

パデュー大学と北西部大学、米国エネルギー省の国立研究所ロスアラモス、アルゴンヌ国立研究所、フランスのレンヌにある電子デジタル技術研究所（INSA）の米エンジニアと共同研究者は、いくつかの2次元ペロブスカイトで日光を発見しました。効果的に削減されます。 原子間の距離、電流を運ぶ能力を向上させます。

ライス大学の大学院生であるSirajSedikは、2次元ペロブスカイトで凍結する化合物で基板を回転させる準備をしています。 米のエンジニアは、ペロブスカイトディスプレイが効率的で堅牢な太陽電池に有望であることを発見しました。 クレジット：Jeff Fitlow / Rice University

「材料に光を当てると、スポンジのように圧縮し、層をまとめてその方向への電荷移動を促進することがわかりました」とMohit氏は述べています。 研究者らは、上部のヨウ化物の間に有機カチオンを層状にし、下部の層間の相互作用を改善することを発見しました。

「この研究は、一方の層の正電荷ともう一方の層の負電荷が互いに話し合うことができる励起状態と準粒子の研究にとって重要な意味を持っています」とMohit氏は述べています。 「これらは励起子と呼ばれ、独特の性質を持っている可能性があります。

「この効果により、2次元遷移金属ジカルコゲナイドなどの複雑な不均一構造を作成することなく、これらの基本的な光と物質の相互作用を理解して適応させる機会が得られました」と彼は述べています。

実験は、フランスの同僚によるコンピューターモデルによって確認されました。 「この研究は、最先端のシミュレーション技術、大規模な国立シンクロトロン施設を使用した物理的調査、および動作中の太陽電池のその場での特性評価を組み合わせるユニークな機会を提供しました」と、INSAの物理学教授であるジャッキー・イーブンは述べています。 「この論文は、ろ過現象がペロブスカイト材料の電荷電流の流れを突然引き起こす方法を初めて示しています。」

ライス大学の大学院生であるWenbinLiは、ソーラーシミュレーターでテストするための2Dペロブスカイト太陽電池を準備しています。 米のエンジニアは、靭性を維持しながら2Dペロブスカイトセルの効率を高めました。 クレジット：Jeff Fitlow / Rice University

両方の結果は、1つの太陽の密度のソーラーシミュレーターの下で10分後、2次元ペロブスカイトが長さ0.4％、上から下に約1％縮小したことを示しました。 彼らは、その効果が5番目の太陽の強度より1分下で見られることを示しました。

「それほど多くはないように見えますが、格子間隔のこの1％の収縮は、電子の流れの大幅な向上につながります」と、ライスの大学院生で共同筆頭著者のウェンビン・リーは述べています。 「私たちの研究では、材料の電子伝導率が3倍に増加していることが示されています。」

同時に、メッシュの性質により、80度に加熱された場合でも材料が損傷を受けにくくなりました。 摂氏 （176度 NS）。 研究者たちはまた、ライトがオフになると、格子がすぐにリラックスして通常の形状に戻ることを発見しました。

「2Dペロブスカイトの主な魅力の1つは、通常、水分バリアとして機能し、熱的に安定しており、イオン移動の問題を解決する有機原子を含むことです」と、大学院生で共同筆頭著者のSirajSiddikは述べています。 「3Dペロブスカイトは熱と光の不安定性にさらされるため、研究者はペロブスカイトの上に2Dレイヤーを重ねて、2つを最大限に活用できるかどうかを確認し始めました。

「 『2Dだけを使って機能させよう』と思った」と彼は語った。

ライス大学の大学院生であるWenbinLee、化学および生体分子エンジニアのAditya Mohit、および大学院生のSiraj Sidhikがプロジェクトを主導し、効率的な太陽電池用の2次元強化ペロブスカイトを製造しました。 クレジット：Jeff Fitlow / Rice University

動作中の材料の収縮を監視するために、チームは2つの米国エネルギー省（DOE）科学局（DOE）科学局のユーザー施設を使用しました。エネルギー省のブルックヘブン国立研究所の国立シンクロトロン光源IIと高度な光子源です。 （APS）エネルギー省のアルゴンヌ国立研究所。 ラボ

この論文の共著者であるアルゴンヌの物理学者JoeStrzalkaは、APSの超高輝度X線を使用して、材料の小さな構造変化をリアルタイムで捉えました。 Beamline 8-ID-Eの高感度機器により、APSは「操作」調査、つまり、通常の操作条件下で機器が温度または環境の制御された変化を受けている間に実行される調査を実行できます。 この場合、Strzalkaらは、太陽電池からの光活性物質を露光して、温度を一定に保ちながら太陽光をシミュレートし、原子レベルで小さな収縮を観察しました。

対照実験として、Strzalkaと彼の同僚はまた、部屋を暗くして温度を上げ、反対の効果、つまり材料の膨張に気づきました。 これは、それが生成した熱ではなく、光自体が変換を引き起こしたことを示しました。

「そのような変化のために、オペラ研究をすることは重要です」とStrzalkaは言いました。 「整備士がエンジンを始動して内部で何が起こっているかを確認したいのと同じように、基本的には1回のショットではなく、そのシフトのビデオを撮りたいと考えています。APSなどのユーティリティを使用するとそれが可能になります。」

Strzalka氏は、APSは、X線の明るさを最大500倍に高める大規模なアップグレードの真っ只中にあると述べました。 完了すると、より明るいビームとより速く、より明確な検出器は、より高い感度でこれらの変化を検出する科学者の能力を向上させるだろうと彼は言いました。

これは、ライスチームがパフォーマンスを向上させるためにマテリアルを変更するのに役立ちます。 「陽イオンとインターフェースを設計することで、20％以上の効率を達成するために順調に進んでいます」とあなたの友人は言いました。 「2Dペロブスカイト/シリコンと2D / 3Dペロブスカイトの同義語に2Dペロブスカイトを使用し始めるため、ペロブスカイト分野のすべてが変わります。これにより、30％近くの効率が得られます。これにより、マーケティングにとって魅力的なものになります。」

参考：Wenbin Li、Siraj Seddhik、Boubacar Traore、Reza Asadpour、Jin Ho、Hao Zhang、Austin Ver、Joseph Eismann、Yaffee Wang、JustinMによる「高効率太陽電池用の2次元ペロブスカイトにおける光活性化層間収縮」 。 Hoffman、Ioannis Spanopoulos、Jared J. Crochet、Esther Tsai、Joseph Strzalka、Claudine Cattan、Muhammed A. Alam、Mercury J. Kanatzidis、Jackie Even、Jean-Christophe Blancon、AdityaD。 Mohti、2021年11月22日、こちらから入手できます。 自然のナノテクノロジー。
DOI：10.1038 / s41565-021-01010-2

この論文の共著者は、ライスの大学院生であるジン・ホー、ハオ・チャン、オースティン・フェール、学部生のジョセフ・イーストマンと交換留学生のヤッフェ・ワン、そして共著者であるモヒットの研究室の上級科学者であるジャン・クリストフ・ブランカンです。 ブバカール・トラオレ、INSAのクローディン・キャタン。 ボルドーのレザ・アサドプールとムハンマド・アラム。 北西部出身のジャスティン・ホフマン、イオアニス・スパノプロス、マーキュリー・カナツィディス。 ジャレドはロスアラモスによってかぎ針編みされ、エスターツァイはブルックヘブンによってかぎ針編みされています。

陸軍研究室、フランス学術研究所、国立科学財団（20-587、1724728）、海軍研究室（N00014-20-1-2725）、およびエネルギー省科学局（AC02-06CH11357）が研究を支援しました。