Ученые из Университета Дьюка разработали новый метод производства мощных перовскитных солнечных элементов
- Подробности
- Опубликовано 05.01.2018 20:15
Ученые из Университета Дьюка разработали метод создания гибридных тонкопленочных материалов, которые в противном случае были бы трудными или невозможными. Эта техника может быть шлюзом для новых поколений солнечных элементов, светоизлучающих диодов и фотоприемников.
Исследовательская группа описала свои методы 22 декабря 2017 года в журнале ACS Energy Letters .
Перовскиты - это класс материалов, которые с правильной комбинацией элементов имеют кристаллическую структуру, которая делает их особенно подходящими для применения на основе света. Их способность поглощать свет и эффективно передавать его энергию делает их общей целью для исследователей, разрабатывающих новые типы солнечных элементов, например.
Самый распространенный перовскит, используемый сегодня в солнечной энергии, иодид свинца метиламмония (MAPbI3), может преобразовывать свет в энергию так же хорошо, как и сегодняшние лучшие коммерчески доступные солнечные батареи. И он может делать это, используя часть материала - ленту в 100 раз тоньше, чем типичный солнечный элемент на основе кремния.
Метиламмонийсодержащий йодид является одним из немногих перовскитов, которые могут быть созданы с использованием стандартных промышленных технологий производства, хотя у него все еще есть проблемы с масштабируемостью и долговечностью. Однако, чтобы действительно разблокировать потенциал перовскитов, необходимы новые методы производства, потому что смесь органических и неорганических молекул в сложной кристаллической структуре может быть затруднена. Органические элементы особенно деликатные, но имеют решающее значение для способности гибридного материала эффективно поглощать и испускать свет.
"Йодид свинца метиламмония имеет очень простой органический компонент, но является очень высокоэффективным поглотителем света", - сказал Дэвид Мици, профессор теории машиностроения и материаловедения Саймона в Дюке. "Если мы сможем найти новый подход к производству, который может создавать более сложные молекулярные комбинации, он откроет новые сферы химии для многофункциональных материалов."
В новом исследовании Митци объединяется с коллегой Адриенн Стифф-Робертс, адъюнкт-профессором электротехнической и компьютерной техники в Герцоге, чтобы продемонстрировать именно такой производственный подход. Этот метод называется резонансным импульсным лазерным испарением с резонансной инфракрасной матрицей или RIR-MAPLE для краткости и разработан компанией Stiff-Roberts в Duke за последнее десятилетие.
В соответствии с технологией, изобретенной в 1999 году под названием MAPLE, эта технология включает замораживание раствора, содержащего молекулярные строительные блоки для перовскита, а затем взрывание замороженного блока лазером в вакуумной камере.
Когда лазер испаряет небольшой кусок замороженной мишени размером с углубление на мяче для гольфа, пар перемещается вверх в шлейфе, который покрывает нижнюю поверхность любого объекта, висящего над головой, например компонента в солнечном элементе. После того как достаточное количество материала будет расти, процесс прекращается, и продукт нагревается для кристаллизации молекул и установки тонкой пленки на место.
В версии технологии Stiff-Roberts частота лазера специально настроена на молекулярные связи замороженного растворителя. Это приводит к тому, что растворитель поглощает большую часть энергии, оставляя деликатные органические вещества невредимыми по мере их перемещения к поверхности продукта.
"Технология RIR-MAPLE чрезвычайно нежная на органических компонентах материала, гораздо больше, чем на других лазерных технологиях", - сказал Стифф-Робертс. "Это также делает его намного более эффективным, требуя, чтобы лишь небольшая часть органических материалов достигла того же конечного продукта."
Хотя на рынке нет солнечных батарей на основе перовскита, есть несколько компаний, которые занимаются коммерциализацией йодистого свинца метиламмония и других тесно связанных материалов. И хотя материалы, сделанные в этом исследовании, обладают эффективностью солнечных элементов лучше, чем при использовании других лазерных технологий, они еще не доходят до тех, которые сделаны с использованием традиционных процессов на основе решений.
Но Митци и Строй-Робертс говорят, что это не их цель.
"Хотя основанные на решениях методы также могут быть мягкими на органиках и могут создавать некоторые великолепные гибридные фотогальванические материалы, они не могут использоваться для более сложных и плохо растворимых органических молекул", - сказал Стриф-Робертс.
"Благодаря этой демонстрации технологии RIR-MAPLE мы надеемся открыть совершенно новый мир материалов для индустрии солнечных элементов", - продолжил Мици. "Мы также считаем, что эти материалы могут быть полезны для других применений, таких как светоизлучающие диоды, фотоприемники и рентгеновские детекторы."
Эта работа была поддержана Национальным научным фондом, Research Triangle MRSEC (DMR-1121107). Исследование проводилось в контрольно-измерительных лабораториях, входящих в Северо-Каролинскую научно-исследовательскую сеть треугольных нанотехнологий (RTNN), которая поддерживается Национальным научным фондом (ECCS-1542015) в рамках Национальной координированной инфраструктуры нанотехнологий (NNCI).
Новости из Университета Дьюка