Forskere fastsatte tidsgrense for ultrafast perovskite solceller

Afslutningsnummer - Danmarks Rigsspillemænds Festkoncert 2015 (Kan 2019).

Anonim

Forskere har kvantifisert de forbløffende høye hastighetene som fremtidige solceller måtte operere for å strekke det som for tiden settes som naturlige grenser for deres energieffektiviseringseffektivitet.

Studien, som undersøkte fotovoltaiske enheter basert på en type materialer som kalles perovskites, antyder at disse kan oppnå enestående nivåer av supereffektivitet. Men for å gjøre det, må de snu sollys inn i elektroner og trekke dem ut som elektrisk ladning i løpet av bare fire kvartioner av et sekund - noen få femtosekunder, for å gi dem sitt vitenskapelige navn.

Flytte elektroner ved denne ultrafast hastigheten ville muliggjøre opprettelsen av "hot carrier" -celler. Disse er solceller som kan generere elektrisitet mer effektivt ved å benytte den ekstra kinetiske energien som elektroner har et kort øyeblikk like etter at de er opprettet, mens de beveger seg i høy fart.

Mengden elektrisk energi som kan ekstraheres fra en varm bærercelle, i forhold til mengden lys absorbert, kan potensielt matche eller til og med bryte en energieffektivitetsrate på 30%. I grove termer er dette den maksimale energieffektiviteten som solceller kan tenkes å oppnå - selv om standard silisiumceller typisk har effektivitet nærmere 20% i praksis.

Til tross for de små delene av tid som er involvert, sier forfatterne til det nye papiret at det er mulig at perovskites i siste instans kunne presse denne effektivitetsbarrieren.

Studien, publisert i tidsskriftet Nature Communications, ble utført av akademikere i Italia og Storbritannia. Det britiske teamet involverte forskere i Cavendish Laboratory's Optoelectronics forskningsgruppe av professor Sir Richard Friend, en stipendiat av St John's College, Cambridge. Det italienske laget er basert på Politecnico di Milano i gruppen av professor Guilio Cerullo.

Johannes Richter, en doktorand i Optoelektronik-gruppen og papirets hovedforfatter, sa: "Tidsskalaen som vi har beregnet, er nå tidsgrensen som vi må operere innenfor hvis vi ønsker å skape supereffektive, varme bærende solenheter. ville trenge å få elektroner ut før denne lille tiden går. "

"Vi snakker om å gjøre dette ekstremt raskt, men det er ikke umulig at det kan skje. Perovskite-celler er veldig tynne, og dette gir oss håp, fordi avstanden som elektronene må dekke er derfor svært kort."

Perovskites er en klasse av materialer som for lenge siden kunne erstatte silisium som det valgte materialet for mange fotovoltaiske enheter. Selv om perovskite solceller bare er utviklet de siste årene, er de allerede nesten like energieffektive som silisium.

Dels fordi de er betydelig tynnere, er de mye billigere å lage. Selv om silisiumceller er omtrent en millimeter tykk, har perovskite-ekvivalenter en tykkelse på omtrent en mikrometer, omtrent 100 ganger tynnere enn et menneskehår. De er også svært fleksible, noe som betyr at i tillegg til å bli brukt til å drive bygninger og maskiner, kan perovskite celler til slutt bli innarbeidet i ting som telt eller klær.

I den nye studien ønsket forskerne å vite hvor lenge elektronene produsert av disse cellene beholder sitt høyest mulige nivå av energi. Når sollys treffer cellen, blir lyspartikler (eller fotoner) omgjort til elektroner. Disse kan trekkes ut gjennom en elektrode for å høste elektrisk ladning.

For et kort øyeblikk etter at de er opprettet, beveger elektronene seg veldig raskt. Imidlertid begynner de å kollidere og miste energi. Elektroner som beholder sin hastighet, før kollisjon, kalles "hot" og deres kinetiske energi tilsier at de har potensial til å produsere mer ladning.

"Tenk deg om du hadde et biljardbord og hver ball beveget seg i samme hastighet, " forklarte Richter. "Etter en viss tid kommer de til å slå hverandre, noe som får dem til å senke og endre retning. Vi ønsket å vite hvor lenge vi må trekke ut elektronene før dette skjer."

Cambridge-teamet benyttet seg av en metode utviklet av sine kolleger i Milano, kalt todimensjonale spektroskopi. Dette innebærer å pumpe lys fra to lasere til prøver av blyjodid perovskite-celle for å simulere sollys, og deretter bruke en tredje "probe" -laser for å måle hvor mye lys som absorberes.

Når elektronene har kollidert og redusert, og dermed begynner å ta opp plass i cellen, endres lysmengden som blir absorbert. Tiden det tok for at dette skulle skje i studien, gjorde det mulig for forskerne å fastslå hvor mye tid som er tilgjengelig for å trekke ut elektroner mens de fortsatt er "varme".

Studien fant at elektronkollisjonshendelser begynte å skje mellom 10 og 100 femtosekunder etter at lyset først ble absorbert av cellen. For å maksimere energieffektiviteten vil elektronene følgelig trenge å nå elektroden i så lite som 10 quadrillionths of a second.

Forskerne er likevel optimistiske at dette kan være mulig. I tillegg til å utnytte perovskittens indre tynnhet, tror de at nanostrukturer kan opprettes i cellene for å redusere ytterligere avstanden som elektronene trenger å reise.

«Denne tilnærmingen er bare en ide for nå, men det er den typen ting vi vil kreve for å overvinne de svært små tidsrammer som vi har målt, » sa Richter.

Papiret, "Ultrafast carrier thermalization i lead iodide perovskite probed med tvådimensjonal elektronisk spektroskopi, " er publisert i Nature Communications.

menu
menu