Molekulinis filmas atskleidžia naujų saulės elementų vidinį darbą


Perovskito kristalas. „Getty Images“ „Molekulinis filmas“ atskleidė, kaip perovskito saulės elementai reaguoja į šviesą. Šis darbas galėtų padėti paaiškinti, kodėl šios struktūros yra taip gerai pasirengusios konvertuoti šviesą į elektros energiją. Silicio saulės prietaisai išlieka dominuojančia rinkos jėga fotovoltiniuose elementuose, kurie sudaro apie 94 proc. Įrenginių gamybos 2016 m. N

Perovskito kristalas. „Getty Images“

„Molekulinis filmas“ atskleidė, kaip perovskito saulės elementai reaguoja į šviesą. Šis darbas galėtų padėti paaiškinti, kodėl šios struktūros yra taip gerai pasirengusios konvertuoti šviesą į elektros energiją.

Silicio saulės prietaisai išlieka dominuojančia rinkos jėga fotovoltiniuose elementuose, kurie sudaro apie 94 proc. Įrenginių gamybos 2016 m.

Nuo pat atradimo 2009 m. Mažėjančio prietaiso efektyvumas ir toliau augo, o per dvejus metus - nuo 14% iki 20%. Vis dėlto, priešingai nei silicio kolonėlė, nenuostabu, kad yra žinoma, kaip metalo-organo-halidų struktūra šviesą paverčia elektra.

„Fizika ir chemija, kurios pagrindas yra silicio saulės elementų darbų supratimas, “ aiškina Aaronas Lindenbergas iš JAV Stanfordo universiteto, kurio komanda atliko tyrimą. „Priešingai, pagrindiniai unikalių hibridinių perovskitų funkcionalumo aspektai nėra.“

Tačiau fizikai supranta visapusišką procesą. Kaip ir silicio įtaisas, tarp dviejų įkrovos ekstrakcijos sluoksnių yra perovskito plona plėvelė, paprastai metilamonio švino jodidas (MAPbI3). Apšviečiant šviesą, perovskito grotelėse sukauptos skylės ir elektronai juda link išorinių sluoksnių, sukurdami elektros srovę. Bet niekas nesupranta, kaip grotelės reaguoja į šviesą ir, galiausiai, kodėl tai toks efektyvus lengvasis kombainas.

Kad problemos taptų sudėtingesnės, visa tai vyksta femtosekundžių (10–15) metu. „Tai tarsi bando suprasti, kaip sudėtinga mašina veikia, nesugebėdama matyti pagrindinių dalių, nes jos yra per mažos arba per greitai“, - apgailestauja Lindenbergas.

Perovskito plėvelė

„Lindenberg“ komanda nusprendė šį procesą atkreipti į „Stanford Linear Accelerator Center“, kuriame gyvena viena iš sparčiausiai pasaulyje veikiančių elektronų kamerų. Grupė pirmą kartą kūrė 40fs lazerio impulsą 40 nm storio MAPbI3 plėvelėje, kad sužadintų perovskitą. Po to jie statė elektronų pluoštą, kad gautų difrakcijos modelį.

Atidėjęs laiką tarp sijų, grupė galėjo surinkti keletą elektronų difrakcijos vaizdų ir nustatyti, kaip perovskito grotelės deformuojasi šviesoje. „Mūsų matavimai rodo, kad perovskito struktūra deformuojasi gana neįprastai ir netikėtai“, - sako Lindenbergas.

Perovskitai turi panašią struktūrą kaip kalcio titano oksidas, o švino atomai sėdi jodo oktaedros centre. Metilamonio atomai užima erdvę tarp šių oktaedrų. Per 10 picosekundžių (10–12 sekundžių) nuo šviesos poveikio jodo atomai perkelia centrinius švino atomus, išlaikydami pastovų atstumą nuo jų. „Galima nufotografuoti jodo atomus, judančius ant kiekvieno švino sferos paviršiaus“, - sako Lindenbergas.

Lieka pamatyti, kaip šios atominės rotacijos sukelia mokesčius, kurie laisvai teka per filmą, ir paaiškina aukštą perovskitų efektyvumą. Nepaisant to, „Lindenberg“ tikisi, kad elektronų fotoaparatas tęs „naują, esminį supratimą apie tai, kaip šios medžiagos veikia“.

Metodas taip pat gali atspindėti perovskito ląstelių stabilumą, kuris galiausiai diktuoja, ar pramonė priima prietaisą, kaip teigia Lindenbergas. Tai žinoma problema, susijusi su technologija, kuri pastaraisiais metais šiek tiek slopino savo kelią į komercializaciją.

Eva Unger, Švedijos Lundo universiteto fotogalvanikos tyrinėtojas ir Vokietija, Helmholtz Zentrum Berlin sako, kad fotoaparatas yra unikalus būdas išbandyti šias medžiagas. „Ypač svarbu suprasti ypatingą fotovoltinių medžiagų sąveiką“, - sako V. Unger. „Šie eksperimentiniai rezultatai leidžia pažvelgti į sudėtingą metalo halogenidų perovskitų reakciją į fotonų absorbciją“.

Šis straipsnis atkuriamas leidus Chemistry World. Straipsnis pirmą kartą paskelbtas 2017 m. Rugpjūčio 3 d.