«Молекулярный клей» усиливает слабое место перовскитных солнечных элементов
За относительно короткий промежуток времени перовскитовые солнечные элементы стали весьма многообещающим кандидатом, если говорить о том, как мы можем генерировать электроэнергию в будущем, но есть некоторые проблемы, которые необходимо решить в первую очередь. В основном они связаны с проблемами стабильности, из-за которых элементы быстро разрушаются во время использования, но ученые из Университета Брауна придумали, как решить эту проблему путем воздействия на слабые места с помощью так называемого молекулярного клея.
Клей для перовскитных солнечных элементов
За последнее десятилетие ученые наблюдали устойчивый рост эффективности перовскитовых солнечных батарей, причем альтернативная конструкция теперь соперничает с эффективностью обычных кремниевых элементов. Кремниевые элементы также требуют дорогостоящего оборудования и высоких температур для производства, в то время как перовскитные элементы могут быть изготовлены сравнительно дешево и при комнатной температуре, а затем легче перерабатываются после использования. Эти факторы в сочетании с отличным светопоглощающим потенциалом делают их многообещающим решением.
Подписывайтесь на наш youtube канал!
ЭФИРНЫЕ СЕТЫ
Подборка эфиров c ЛУЧШИМИ психологами, врачами, остеопатами
на платформе COURSE.ECONET.RU
ПОЛУЧИТЬ ДОСТУП
Поскольку они изготовлены из разных материалов, изменение температуры может привести к тому, что эти слои будут расширяться или сжиматься с разной скоростью, что приведет к механическим напряжениям, вызывающим их разъединение. Ученые из Университета Брауна сосредоточились на самом проблемном, по их словам, интерфейсе между этими слоями, где светопоглощающая перовскитная пленка встречается с электронно-транспортным слоем, который управляет током, проходящим через элемент.
«Молекулярный клей» усиливает слабое место перовскитных солнечных элементов
«Цепь сильна лишь настолько, насколько сильно ее самое слабое звено, и мы определили этот интерфейс как самую слабую часть всего стека, где разрушение наиболее вероятно», – сказал старший автор исследования Нитин Падтур. «Если мы сможем укрепить это место, то сможем начать реальное повышение надежности».
В своей предыдущей работе в качестве материаловеда Падтур разработал новые керамические покрытия для использования в высокопроизводительных устройствах, таких как авиационные двигатели. Основываясь на этом, он и авторы исследования начали изучать, как соединения, называемые самособирающимися монослоями (SAM), могут помочь им решить проблемы стабильности перовскитных солнечных батарей.
«Молекулярный клей» усиливает слабое место перовскитных солнечных элементов
«Это большой класс соединений», – сказал Падтур. «Когда вы наносите их на поверхность, молекулы собираются в один слой и встают дыбом, как короткие волосы. Используя правильную рецептуру, можно образовывать прочные связи между этими соединениями и самыми разными поверхностями».
Эти SAM могут быть нанесены на клетки с помощью процесса окунания при комнатной температуре, и команда обнаружила, что один из вариантов оказался особенно перспективным. Используя SAM, состоящие из атомов кремния и йода, ученые смогли сформировать прочные связи между светопоглощающей перовскитной пленкой и электронно-транспортным слоем.
«Когда мы ввели SAM в поверхность раздела, мы обнаружили, что это увеличивает вязкость разрушения границы раздела примерно на 50 %, что означает, что любые трещины, образующиеся на границе раздела, не распространяются очень далеко», – сказал Падтур. «Таким образом, SAM становятся своего рода молекулярным клеем, который удерживает два слоя вместе».
В ходе испытаний группа обнаружила, что такой подход привел к существенному улучшению долговечности перовскитовых солнечных батарей, которые сохранили 80 % своей пиковой эффективности после примерно 1300 часов использования. Это сравнимо с ячейками, не использующими SAM, которые проработали всего около 700 часов. По прогнозам команды, их новая конструкция может работать на таком уровне около 4 000 часов. Кремниевые ячейки обычно обеспечивают такую производительность в течение 25 лет, поэтому предстоит еще много работы, но признаки многообещающие.
«Мы сделали еще одну вещь, которую обычно не делают, – мы вскрыли элементы после тестирования», – говорит Чжэнхун Дай, первый автор исследования. «В контрольных элементах без SAM мы увидели всевозможные повреждения, такие как пустоты и трещины. Но с SAM упрочненные поверхности выглядели очень хорошо. Это было значительное улучшение, которое нас просто потрясло».
Примечательно, что, по словам исследователей, добавление SAM не снижает эффективность ячейки, а наоборот, немного повышает ее за счет устранения небольших дефектов, которые обычно образуются при соединении двух слоев. Они надеются развить эти многообещающие результаты, применив эту технику к интерфейсам между другими слоями в перовскитных солнечных батареях, чтобы еще больше повысить стабильность.
«Это именно то исследование, которое необходимо для создания недорогих, эффективных и хорошо работающих в течение десятилетий элементов», – сказал Падтур.
За относительно короткий промежуток времени перовскитовые солнечные элементы стали весьма многообещающим кандидатом, если говорить о том, как мы можем генерировать электроэнергию в будущем, но есть некоторые проблемы, которые необходимо решить в первую очередь. В основном они связаны с проблемами стабильности, из-за которых элементы быстро разрушаются во время использования, но ученые из Университета Брауна придумали, как решить эту проблему путем воздействия на слабые места с помощью так называемого молекулярного клея.
За последнее десятилетие ученые наблюдали устойчивый рост эффективности перовскитовых солнечных батарей, причем альтернативная конструкция теперь соперничает с эффективностью обычных кремниевых элементов. Кремниевые элементы также требуют дорогостоящего оборудования и высоких температур для производства, в то время как перовскитные элементы могут быть изготовлены сравнительно дешево и при комнатной температуре, а затем легче перерабатываются после использования. Эти факторы в сочетании с отличным светопоглощающим потенциалом делают их многообещающим решением.
Поскольку они изготовлены из разных материалов, изменение температуры может привести к тому, что эти слои будут расширяться или сжиматься с разной скоростью, что приведет к механическим напряжениям, вызывающим их разъединение. Ученые из Университета Брауна сосредоточились на самом проблемном, по их словам, интерфейсе между этими слоями, где светопоглощающая перовскитная пленка встречается с электронно-транспортным слоем, который управляет током, проходящим через элемент.
«Цепь сильна лишь настолько, насколько сильно ее самое слабое звено, и мы определили этот интерфейс как самую слабую часть всего стека, где разрушение наиболее вероятно», – сказал старший автор исследования Нитин Падтур. «Если мы сможем укрепить это место, то сможем начать реальное повышение надежности».
В своей предыдущей работе в качестве материаловеда Падтур разработал новые керамические покрытия для использования в высокопроизводительных устройствах, таких как авиационные двигатели. Основываясь на этом, он и авторы исследования начали изучать, как соединения, называемые самособирающимися монослоями (SAM), могут помочь им решить проблемы стабильности перовскитных солнечных батарей.
«Это большой класс соединений», – сказал Падтур. «Когда вы наносите их на поверхность, молекулы собираются в один слой и встают дыбом, как короткие волосы. Используя правильную рецептуру, можно образовывать прочные связи между этими соединениями и самыми разными поверхностями».
Эти SAM могут быть нанесены на клетки с помощью процесса окунания при комнатной температуре, и команда обнаружила, что один из вариантов оказался особенно перспективным. Используя SAM, состоящие из атомов кремния и йода, ученые смогли сформировать прочные связи между светопоглощающей перовскитной пленкой и электронно-транспортным слоем.
«Когда мы ввели SAM в поверхность раздела, мы обнаружили, что это увеличивает вязкость разрушения границы раздела примерно на 50 %, что означает, что любые трещины, образующиеся на границе раздела, не распространяются очень далеко», – сказал Падтур. «Таким образом, SAM становятся своего рода молекулярным клеем, который удерживает два слоя вместе».
В ходе испытаний группа обнаружила, что такой подход привел к существенному улучшению долговечности перовскитовых солнечных батарей, которые сохранили 80 % своей пиковой эффективности после примерно 1300 часов использования. Это сравнимо с ячейками, не использующими SAM, которые проработали всего около 700 часов. По прогнозам команды, их новая конструкция может работать на таком уровне около 4 000 часов. Кремниевые ячейки обычно обеспечивают такую производительность в течение 25 лет, поэтому предстоит еще много работы, но признаки многообещающие.
«Мы сделали еще одну вещь, которую обычно не делают, – мы вскрыли элементы после тестирования», – говорит Чжэнхун Дай, первый автор исследования. «В контрольных элементах без SAM мы увидели всевозможные повреждения, такие как пустоты и трещины. Но с SAM упрочненные поверхности выглядели очень хорошо. Это было значительное улучшение, которое нас просто потрясло».
Примечательно, что, по словам исследователей, добавление SAM не снижает эффективность ячейки, а наоборот, немного повышает ее за счет устранения небольших дефектов, которые обычно образуются при соединении двух слоев. Они надеются развить эти многообещающие результаты, применив эту технику к интерфейсам между другими слоями в перовскитных солнечных батареях, чтобы еще больше повысить стабильность.
«Это именно то исследование, которое необходимо для создания недорогих, эффективных и хорошо работающих в течение десятилетий элементов», – сказал Падтур.
https://econet.ru/articles/molekulyarnyy-kley-usilivaet-slaboe-mesto-perovskitnyh-solnechnyh-elementov
18.05.2021