Algunos materiales son como las personas. Déjelos relajarse al sol por un rato y se desempeñarán mucho mejor.
Una colaboración dirigida por la Universidad de Rice y el Laboratorio Nacional de Los Alamos descubrió que ese era el caso con un compuesto de perovskita promocionado como un material eficiente para recolectar la luz solar y convertirla en energía.
Los investigadores dirigidos por Aditya Mohite, científica del personal de Los Alamos que pronto se convertirá en profesora de Rice; Wanyi Nie, también científica del personal de Los Alamos, y la autora principal y estudiante graduada de Rice Hsinhan Dave Tsai descubrieron esa constantela iluminación relaja la tensión en la red cristalina de la perovskita, lo que le permite expandirse uniformemente en todas las direcciones.
La expansión alinea los planos de cristal del material y cura los defectos a granel. Eso a su vez reduce las barreras energéticas en los contactos, facilitando que los electrones se muevan a través del sistema y suministren energía a los dispositivos.
Esto no solo mejora la eficiencia de conversión de energía de la célula solar, sino que tampoco compromete su fotoestabilidad, con una degradación insignificante durante más de 1,500 horas de operación bajo iluminación continua de un sol de 100 milivatios por centímetro cúbico.
La investigación, que aparece esta semana en ciencia , representa un paso significativo hacia células solares estables basadas en perovskita para la próxima generación de tecnologías de energía solar a electricidad y de energía solar a combustible, según los investigadores.
"Las estructuras de cristal híbrido de perovskita tienen una fórmula general de AMX3, donde A es un catión, M es un metal divalente y X es un haluro", dijo Mohite. "Es un semiconductor polar con una brecha de banda directa similar a la del galioarseniuro.
"Esto dota a las perovskitas con un coeficiente de absorción que es casi un orden de magnitud mayor que el arseniuro de galio un semiconductor común en las células solares en todo el espectro solar", dijo. "Esto implica que una película de 300 nanómetros de espesor deperovskitas es suficiente para absorber toda la luz solar incidente. Por el contrario, el silicio es un material de banda prohibida indirecta que requiere 1,000 veces más material para absorber la misma cantidad de luz solar ".
Mohite dijo que los investigadores han buscado durante mucho tiempo eficientes perovskitas híbridas que son estables a la luz solar y en condiciones ambientales ambientales.
"A través de este trabajo, demostramos un progreso significativo en el logro de ambos objetivos", dijo. "Nuestra perovskita basada en triple catión en una red cúbica muestra una excelente estabilidad de temperatura a más de 100 grados Celsius 212 grados Fahrenheit."
Los investigadores modelaron e hicieron más de 30 películas delgadas semiconductoras a base de yoduro con estructuras parecidas a la perovskita: cubos cristalinos con átomos dispuestos en filas y columnas regulares. Midieron su capacidad de transmitir corriente y descubrieron que cuando estaba empapado de luz, elLa barrera energética entre la perovskita y los electrodos se desvaneció en gran medida a medida que los enlaces entre los átomos se relajaban.
Se sorprendieron al ver que la barrera permaneció apagada durante 30 minutos después de que se apagó la luz. Debido a que las películas se mantuvieron a una temperatura constante durante los experimentos, los investigadores también pudieron eliminar el calor como una posible causa de la redexpansión.
Las mediciones mostraron que el dispositivo híbrido de perovskita "campeón" aumentó su eficiencia de conversión de energía del 18.5 por ciento al 20.5 por ciento. En promedio, todas las células tenían una eficiencia elevada por encima del 19 por ciento. Mohite dijo que las perovskitas utilizadas en el estudio estaban a un 7 por ciento de distancia delMáxima eficiencia posible para una célula solar de unión única.
Dijo que la eficiencia de las celdas era casi el doble que la de todas las demás tecnologías fotovoltaicas procesadas en solución y 5 por ciento más baja que la de los fotovoltaicos comerciales basados en silicio. Conservaron el 85 por ciento de su eficiencia máxima después de 800 horas de operación continua al máximoPower Point, y su densidad de corriente no mostró degradación fotoinducida durante las 1.500 horas completas.
"Este trabajo acelerará la comprensión científica requerida para lograr células solares de perovskita que sean estables", dijo Mohite. "También abre nuevas direcciones para descubrir fases y comportamientos emergentes que surgen de la naturaleza estructural dinámica, o suavidad, de la perovskitaenrejado."
Los investigadores principales indicaron que el estudio va más allá de la energía fotovoltaica, ya que conecta, por primera vez, la dinámica estructural activada por la luz con procesos fundamentales de transporte electrónico. Anticipan que conducirá a tecnologías que explotan la luz, la fuerza u otros activadores externos para adaptar elpropiedades de los materiales a base de perovskita.
Los coautores del artículo son el científico investigador Bo Chen, Rafael Verduzco, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular y de ciencia de los materiales y nanoingeniería, y Pulickel Ajayan, presidente del Departamento de Ciencia de Materiales y Nanoingeniería, Benjamin M.y Mary Greenwood Anderson, profesora de ingeniería y profesora de química, todas de Rice; estudiante graduado Reza Asadpour y Muhammad Ashraf Alam, profesor de ingeniería eléctrica e informática Jai N. Gupta, de la Universidad de Purdue; científicos de investigación Jean-Christophe Blancon, SergeiTretiak y Wanyi Nie de Los Alamos; profesor asistente de investigación Constantinos Stoumpos y Mercouri Kanatzidis, el profesor de química Charles E. y Emma H. Morrison en la Universidad de Northwestern; Jacky Even y Olivier Durand, profesores de física en el Instituto de Electrónica y Telecomunicaciones deRennes, Francia, y Joseph Strzalka, físico en el Laboratorio Nacional de Argonne.
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del Departamento de Energía y su oficina de Ciencias Energéticas Básicas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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