Detaily článku

Nová technika otevírá cestu k dokonalým perovskitům

Nový zajímavý solární materiál zvaný organicko-anorganické halogenidové perovskity by mohl jednoho dne pomoci USA dosáhnout jejich solárních ambicí a dekarbonizovat energetickou síť. Tisíckrát tenčí než křemík, perovskitové solární materiály lze vyladit tak, aby reagovaly na různé barvy slunečního spektra pouhou změnou jejich složení.

Hybridní perovskitové solární materiály, které se obvykle vyrábějí z organických molekul, jako je methylamonium, a anorganických halogenidů kovů, jako je jodid olovnatý, mají vysokou toleranci k defektům ve své molekulární struktuře a absorbují viditelné světlo účinněji než křemík, standard solárního průmyslu.

Datum: 4.11.2021

solární články, perovskity

Díky těmto vlastnostem jsou perovskity slibnými aktivními vrstvami nejen ve fotovoltaice (technologie, které přeměňují světlo na elektřinu), ale také v dalších typech elektronických zařízení, která reagují na světlo nebo ho ovládají, včetně světelných diod (LED), detektorů a laserů.

"Přestože perovskity nabízejí velký potenciál pro výrazné rozšíření solární energie, dosud nebyly komerčně využity, protože jejich spolehlivá syntéza a dlouhodobá stabilita byla pro vědce dlouho výzvou," řekla Carolin Sutter-Fella, vědkyně z Molecular Foundry, uživatelského zařízení pro nanovědy v Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). "Nyní by cesta k dokonalým perovskitům mohla být brzy na dosah."

Nedávná studie Nature Communications, kterou Sutter-Fella spoluvedla, uvádí, že výrobu solárních materiálů by mohl usnadnit nový sofistikovaný přístroj, který využívá dva druhy světla - neviditelné rentgenové světlo a viditelné laserové světlo - ke zkoumání krystalové struktury a optických vlastností perovskitového materiálu v průběhu jeho syntézy.

"Když lidé vyrábějí tenké solární vrstvy, obvykle mají specializovanou laboratoř na syntézu a musí jít do jiné laboratoře, aby je charakterizovali. S naším vývojem můžete plně syntetizovat a charakterizovat materiál ve stejnou dobu na stejném místě," řekla.

Sutter-Fellaová pro tuto práci sestavila mezinárodní tým špičkových vědců a inženýrů, kteří vybavili koncovou stanici rentgenové svazkové linky s laserem v laboratoři Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS).

Vysoce intenzivní rentgenové záření nového přístroje umožňuje vědcům zkoumat krystalovou strukturu perovskitového materiálu a odhalit podrobnosti o rychlých chemických procesech. Lze jej například použít k charakterizaci toho, co se děje ve vteřině před a po tom, co kapka tuhnoucího činidla přemění kapalný roztok prekurzoru na pevnou tenkou vrstvu.

Zároveň lze jeho laser použít k vytváření elektronů a děr (nosičů elektrického náboje) v tenké vrstvě perovskitu, což vědcům umožňuje pozorovat reakci solárního materiálu na světlo, ať už jako hotového produktu, nebo v průběhu mezistupňů syntézy materiálu.

"Vybavení koncové stanice rentgenové linky laserem umožňuje uživatelům zkoumat tyto doplňkové vlastnosti současně," vysvětlil Sutter-Fella.

Tato kombinace simultánních měření by se mohla stát součástí automatizovaného pracovního postupu pro sledování výroby perovskitů a dalších funkčních materiálů v reálném čase pro kontrolu procesu a kvality.

Perovskitové filmy se obvykle vyrábějí metodou spin coating, což je cenově dostupná technika, která nevyžaduje drahé vybavení ani složité chemické nastavení. A důvody pro perovskity jsou ještě jasnější, když si uvědomíme, jak energeticky náročná je samotná výroba křemíku do solárního zařízení - křemík vyžaduje teplotu zpracování přibližně 2 732 stupňů Fahrenheita. Naproti tomu perovskity se snadno zpracovávají z roztoku při pokojové teplotě na pouhých 302 stupňů Fahrenheita.

Koncová stanice beamline umožňuje výzkumníkům pozorovat, co se děje během syntézy, a zejména během prvních několika sekund spinového nanášení, což je kritické časové okno, během něhož roztok prekurzoru začíná pomalu tuhnout do tenké vrstvy.

První autor Shambhavi Pratap, který se specializuje na využití rentgenového záření ke studiu tenkovrstvých materiálů pro solární energii, hrál rozhodující roli při vývoji přístroje jako doktorand ALS. Nedávno dokončila doktorské studium ve skupině Müller-Buschbaum na Technické univerzitě v Mnichově.

"Přístroj umožní výzkumníkům dokumentovat, jak malé věci, které jsou obvykle považovány za samozřejmost, mohou mít velký vliv na kvalitu a výkonnost materiálů," uvedl Pratap.

"Pro výrobu reprodukovatelných a účinných solárních článků při nízkých nákladech je důležité všechno," řekl Sutter-Fella. Dodala, že studie byla týmovou prací, která zahrnovala širokou škálu vědeckých disciplín.

Tato práce je nejnovější kapitolou v souboru prací, za které Sutter-Fella získala v roce 2017 ocenění Berkeley Lab Early Career Laboratory Directed Research and Development (LDRD) Award.

"Víme, že výzkumná komunita má zájem o využití této nové schopnosti v ALS," řekla. "Nyní ji chceme učinit uživatelsky přívětivou, aby tuto koncovou stanici mohlo využívat více lidí."

Zdrojem informací je Chemeurope.
Kredit obrázku: Berkeley Lab

Pro kompletní informace si přečtěte celý článek.