پروسکایت ها، جایگزینی ارزان قیمت برای سیلیکون، بسیار کارآمدتر شده است

16 فوریه 2023 -توسط دانشگاه روچستر

این تصویر از آزمایشگاه Guo برهمکنش بین یک ماده پروسکایت (فیروزه ای) و زیرلایه ای از مواد فلز-دی الکتریک را نشان می دهد. جفت های قرمز و آبی جفت الکترون-حفره هستند. تصاویر آینه ای منعکس شده از زیرلایه، توانایی الکترون های برانگیخته در پروسکایت را برای ترکیب مجدد با هسته اتمی خود کاهش می دهد و کارایی پروسکایت را برای برداشت نور خورشید افزایش می دهد. اعتبار: کلویی ژانگ

سیلیکون، ماده نیمه رسانای استاندارد مورد استفاده در بسیاری از واحدهای پردازش مرکزی کامپیوتر (CPU)، تراشه‌های نیمه‌رسانا، آشکارسازها و سلول‌های خورشیدی – یک ماده طبیعی فراوان است. با این حال، استخراج و تصقیه آن گران است.

پروسکایت ها – خانواده ای از مواد که به دلیل ساختار کریستالی خود نام مستعار دارند – در سال های اخیر به عنوان جایگزینی بسیار ارزان تر و به همان اندازه کارآمد برای سیلیکون در سلول های خورشیدی و آشکارسازها، نوید فوق العاده ای را نشان داده اند. اکنون، مطالعه‌ای به رهبری چونلی گو، استاد اپتیک در دانشگاه روچستر، نشان می‌دهد که پروسکایت‌ها ممکن است بسیار کارآمدتر شوند.

محققان معمولا پروسکایت ها را در یک آزمایشگاه مرطوب سنتز می کنند و سپس مواد را به عنوان یک لایه روی یک لایه شیشه ای اعمال می کنند و کاربردهای مختلف را بررسی می کنند.

گوئو در عوض یک رویکرد جدید و مبتنی بر فیزیک را پیشنهاد می کند. او و همکارانش با استفاده از بستری از یک لایه فلز یا لایه های متناوب فلز و مواد دی الکتریک – به جای شیشه – دریافتند که می توانند بازده تبدیل نور پروسکایت را تا 250 درصد افزایش دهند.

یافته های آنها در Nature Photonics گزارش شده است.

گوئو می گوید: «هیچ کس دیگری در پروسکایت به این مشاهده نرسیده است. ما می توانیم یک پلت فرم فلزی را زیر یک پروسکایت قرار دهیم، که به طور کامل برهمکنش الکترون های درون پروسکایت را تغییر می دهد. بنابراین، ما از یک روش فیزیکی برای مهندسی این برهمکنش استفاده می کنیم.”

ترکیب جدید پروسکایت و فلز “فیزیک شگفت انگیز زیادی” ایجاد می کند

فلزات احتمالا ساده ترین مواد در طبیعت هستند، اما می توان آنها را برای به دست آوردن عملکردهای پیچیده ساخت. آزمایشگاه Guo دارای تجربه گسترده ای در این زمینه است. این آزمایشگاه در طیف وسیعی از فناوری‌ها پیشگام بوده است که فلزات ساده را به رنگ سیاه، ابرآب دوست (جذب آب) یا فوق آبگریز (دفع آب) تبدیل می‌کند. فلزات تقویت شده برای جذب انرژی خورشیدی و تصفیه آب در مطالعات اخیر خود استفاده شده اند.

در این مقاله جدید، آزمایشگاه Guo به جای ارائه راهی برای تقویت خود فلز، نحوه استفاده از فلز را برای افزایش کارایی پروسکایت ها نشان می دهد.

گوئو می‌گوید: «یک تکه فلز می‌تواند به اندازه مهندسی شیمی پیچیده در یک آزمایشگاه مرطوب کار کند.» و اضافه کرد که تحقیقات جدید ممکن است به ویژه برای برداشت انرژی خورشیدی در آینده مفید باشد.

گوئو توضیح می‌دهد که در یک سلول خورشیدی، فوتون‌های نور خورشید باید با الکترون‌ها برهم‌کنش داشته باشند و آن‌ها را تحریک کنند، که باعث می‌شود الکترون‌ها هسته اتمی خود را ترک کنند و جریان الکتریکی تولید کنند. در حالت ایده‌آل، سلول خورشیدی از مواد ضعیف استفاده می‌کند تا الکترون‌های برانگیخته را به سمت هسته‌های اتمی بکشد و جریان الکتریکی را متوقف کند.

آزمایشگاه Guo نشان داد که می‌توان با ترکیب یک ماده پروسکایت با یک لایه فلز یا یک بستر فراماده متشکل از لایه‌های متناوب نقره، یک فلز نجیب و اکسید آلومینیوم، یک دی الکتریک، از چنین نوترکیبی به‌طور اساسی جلوگیری کرد.

گوئو می‌گوید نتیجه کاهش قابل توجه نوترکیبی الکترون از طریق «فیزیک شگفت‌انگیز زیادی» بود. در واقع، لایه فلزی به عنوان یک آینه عمل می کند، که تصاویر معکوس از جفت الکترون-حفره ایجاد می کند و توانایی الکترون ها برای ترکیب مجدد با حفره ها را تضعیف می کند.این آزمایشگاه توانست از یک آشکارساز ساده برای مشاهده افزایش 250 درصدی حاصل از بازده تبدیل نور استفاده کند.چندین چالش باید قبل از عملی شدن پروسکایت ها برای کاربردها حل شود، به ویژه تمایل آنها به تخریب نسبتاً سریع. در حال حاضر، محققان در حال رقابت برای یافتن مواد جدید و پایدارتر پروسکایت هستند.

گوئو می‌گوید: «با ظهور پروسکایت‌های جدید، می‌توانیم از روش مبتنی بر فیزیک خود برای افزایش عملکرد آنها استفاده کنیم.

نویسندگان مشترک عبارتند از کوانگ جین لی، ران وی، جیهوا ژانگ، و محمد الکاباش، همه اعضای فعلی و سابق آزمایشگاه Guo. و Ye Wang، Wenchi Kong، Sandeep Kumar Chamoli، Tao Huang و Weili Yu، همه از مؤسسه اپتیک، مکانیک ظریف و فیزیک چانگچون در چین.