Dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía y la Universidad de Tennessee, Knoxville, un estudio de un material de energía solar con un futuro brillante reveló una forma de ralentizar los fonones, las ondas que transportan calor. El descubrimiento podría mejorar la novedadcélulas solares portadoras de calor, que convierten la luz solar en electricidad de manera más eficiente que las células solares convencionales al aprovechar los portadores de carga fotogenerados antes de que pierdan energía en calor.
"Demostramos que el transporte térmico y el tiempo de enfriamiento del portador de carga se pueden manipular cambiando la masa de átomos de hidrógeno en un material fotovoltaico", dijo Michael Manley de ORNL. "Esta ruta para extender la vida útil de los portadores de carga presenta nuevas estrategias paralogrando una eficiencia récord de conversión de energía solar a eléctrica en nuevas células solares portadoras de calor ".
Mahshid Ahmadi de UT señaló: "El ajuste de la dinámica de las moléculas orgánicas puede permitir el control de fonones importantes para la conductividad térmica en las perovskitas organometálicas". Estos materiales semiconductores son prometedores para aplicaciones fotovoltaicas.
Manley y Ahmadi diseñaron y administraron el estudio, publicado en avances científicos . Expertos en síntesis de materiales, dispersión de neutrones, espectroscopia láser y teoría de la materia condensada descubrieron una forma de inhibir el enfriamiento de la carga derrochadora intercambiando un isótopo más ligero por uno más pesado en una perovskita organometálica.
Cuando la luz solar incide en una celda solar, los fotones crean portadores de carga electrones y agujeros en un material absorbente. Las celdas solares portadoras calientes convierten rápidamente la energía de los portadores de carga en electricidad antes de que se pierda como calor residual. Prevención del calorLa pérdida es un gran desafío para estas células solares, que tienen el potencial de ser dos veces más eficientes que las células solares convencionales.
La eficiencia de conversión de las células solares de perovskita convencionales ha mejorado del 3% en 2009 a más del 25% en 2020. Un dispositivo portador de calor bien diseñado podría lograr una eficiencia de conversión teórica cercana al 66%.
Los investigadores estudiaron el yoduro de metilamonio y plomo, un material absorbente de perovskita. En su red, las excitaciones colectivas de los átomos crean vibraciones. Las vibraciones que se mueven sincronizadas entre sí son fonones acústicos, mientras que las que se mueven fuera de sincronía son fonones ópticos.
"Por lo general, los portadores de carga primero pierden su calor a los fonones ópticos, que se propagan más lentamente que los fonones acústicos", explicó el coautor de ORNL Raphael Hermann. "Más tarde, los fonones ópticos interactúan con los fonones acústicos que transportan esta energía".
Sin embargo, en una región llamada "cuello de botella del fonón caliente", la física exótica evita que los electrones pierdan su energía a causa de vibraciones colectivas que transportan calor. Para mejorar este efecto en una perovskita fotovoltaica, los investigadores utilizaron la inercia, la tendencia de un objeto asigue haciendo lo que está haciendo, ya sea descansando o moviéndote.
"Básicamente, redujimos la velocidad con la que las moléculas pueden oscilar, similar a reducir la velocidad de una patinadora sobre hielo al poner pesas en las manos", dijo Hermann.
Para hacer eso en una red atómica ordenada, Ahmadi y Kunlun Hong de ORNL dirigieron la síntesis de cristales de yoduro de metilamonio y plomo en el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL. Sustituyeron un isótopo más ligero de hidrógeno, el protio que ocurre normalmente, que no tiene neutrones, con uno más pesado, el deuterio, que tiene un neutrón, en la molécula orgánica central de la perovskita, metilamonio o MA. Los isótopos son átomos químicamente idénticos que difieren solo en masa debido a la diferencia de neutronesnúmero.
A continuación, Manley y Hermann, junto con Songxue Chi de ORNL, llevaron a cabo experimentos de dispersión de neutrones de triple eje en el reactor de isótopos de alto flujo, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL, para mapear la dispersión de fonones en cristales protonados y deuterados. Porque vieronun desacuerdo entre sus mediciones y los datos publicados de mediciones inelásticas de rayos X, hicieron mediciones adicionales en la fuente de neutrones de espalación, otra instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL. Allí, Luke Daemen de ORNL utilizó el espectrómetro vibratorio VISION para revelar todos los posiblesenergías vibratorias. Los resultados combinados indicaron que los modos acústicos longitudinales con longitudes de onda cortas se propagan más lentamente en la muestra deuterada, lo que sugiere que la conductividad térmica puede reducirse.
Hsin Wang de ORNL realizó mediciones de difusividad térmica para investigar cómo se movía el calor en los cristales. "Esas mediciones nos dijeron que la deuteración disminuyó la conductividad térmica ya baja en un 50%", dijo Manley. "Entonces nos dimos cuenta de que tal vez este hallazgo afectacosas que preocupan a los constructores de dispositivos solares, específicamente, mantener calientes los portadores de carga ".
El estudio proporcionó una comprensión sin precedentes del efecto del aumento de la masa atómica en la transferencia de calor.
"Muchas vibraciones, como los modos de estiramiento de los átomos de hidrógeno, tienen frecuencias tan altas que normalmente no interactúan con las vibraciones de menor energía del cristal", dijo Daemen. Los modos de menor energía incluyen el balanceo de moléculas.
La frecuencia de oscilación de la molécula orgánica MA es un poco más alta que la frecuencia de las vibraciones colectivas. Sin embargo, cuando un átomo de deuterio sustituye a un isótopo de hidrógeno más ligero, su mayor masa ralentiza la oscilación de MA. Se balancea a una frecuencia más cercanaal de las vibraciones colectivas, y los dos comienzan a interactuar y luego se acoplan fuertemente. Los fonones sincronizados se ralentizan y se vuelven menos efectivos para eliminar el calor.
Hermann comparó la influencia de la frecuencia con las diferentes acciones de un niño cuando su padre lo empuja en un columpio. "El caso protonado es como el niño moviendo sus piernas demasiado rápido para estar sincronizado con el papá empujando. No va a ir más alto. Pero si comienza a mover las piernas aproximadamente a la misma frecuencia que el swing, es como en el caso deuterado. El niño ha ralentizado sus piernas lo suficiente como para comenzar a sincronizarse con el swing empujado, agregando impulso.capaz de oscilar más alto porque los dos movimientos están acoplados ".
Las mediciones ORNL revelaron un efecto que excedió con creces lo esperado al cambiar la masa del hidrógeno: la deuteración ralentizó tanto el transporte de calor que el tiempo de enfriamiento del portador de carga se duplicó
Para confirmar este hallazgo, el coautor de ORNL, Chengyun Hua, utilizó experimentos de láser de bomba-sonda para medir la disipación de energía de los electrones en las perovskitas deuteradas y protonadas en escalas de tiempo diminutas, cuadrillonésimas de segundo.
"Estas mediciones confirmaron que los cambios gigantes en los fonones y la conductividad térmica inducidos por el isótopo pesado se traducen en un tiempo de relajación más lento para los electrones fotoexcitados", dijo Hua. "Este es un factor importante para mejorar las propiedades fotovoltaicas".
La Universidad de California, Berkeley, los coautores Yao Cai y Mark Asta, quien también trabaja con el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE, realizaron cálculos basados en la teoría para brindar información sobre las complejidades del comportamiento de los fonones.
El descubrimiento realizado en el estudio dirigido por ORNL-UT puede proporcionar un punto brillante para los futuros fabricantes de células solares portadoras calientes.
"Los fonones parecen una perilla bastante eficaz para girar, y sabemos cómo girar la perilla", dijo Manley. "Cuando desee mejorar los materiales, puede agregar una molécula, metilamonio u otra cosa. El hallazgo puede informardecisiones de los desarrolladores sobre cómo cultivan sus cristales ".
Ahmadi agregó: "Este conocimiento se puede utilizar para guiar el diseño de materiales para aplicaciones más allá de la energía fotovoltaica, como sensores ópticos y dispositivos de comunicación".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Oak Ridge . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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