Блог

Jul 13, 2023

Лауреат премии NSF CAREER продвигается вперед по легкому и низкому весу.

Солнечная энергия призвана сыграть ключевую роль в достижении Соединенными Штатами своей цели –

Солнечная энергия призвана сыграть ключевую роль в достижении Соединенными Штатами цели создания экономики с нулевыми выбросами к 2050 году. решение.

«Фотовольтаика на основе перовскита интересна, потому что ее можно печатать, как газеты, и для этого требуется лишь небольшая часть материала, используемого в традиционных фотоэлектрических технологиях», — сказал доцент химической и экологической инженерии Адам Принц. «Меньшее использование материалов снижает затраты и отходы, а это означает, что долгосрочные фотоэлектрические элементы на основе перовскита являются привлекательной заменой нынешним технологиям».

Перовскиты ультратонкие — всего несколько сотен нанометров толщиной, или около 1% ширины человеческого волоса, — и их можно печатать на гибких пластиковых подложках, а это означает, что их можно использовать в приложениях, где мобильность и вес являются ключевыми факторами проектирования, включая катастрофу. помощь, авиация, исследование космоса и портативные датчики для здравоохранения. Однако фотоэлектрические элементы на основе перовскитов пока коммерчески нежизнеспособны, поскольку они все еще демонстрируют химическую и механическую нестабильность, которая приводит к их деградации и прекращению работы быстрее, чем другие технологии. Что именно вызывает эту нестабильность и как ее можно смягчить, чтобы улучшить характеристики перовскита?

Получив премию «КАРЬЕРА» в размере 500 000 долларов от Национального научного фонда, Принц намерен разобраться в этом. Параллельно он работает над запуском серии видео и второстепенной программы по возобновляемым источникам энергии, чтобы обучить новое поколение ученых.

Понимание того, почему и где образуются дефекты

Слово «перовскит» первоначально относилось к минералу, впервые обнаруженному в начале 19 века, с кристаллической структурой ABX3. В настоящее время это слово также используется как сокращение для обозначения «фотогальванических элементов на основе металлогалогенид-перовскита» или изготовленных в лаборатории материалов, которые имеют кристаллическую структуру ABX3 и обладают такими свойствами, как фотопроводимость и возможность использования в чернилах.

В кристаллической структуре ABX3 A представляет собой катион или положительно заряженный ион, B представляет собой металл (обычно свинец или олово), а X представляет собой галогенид (тип атома, который действует как анион или отрицательно заряженный ион). . Все это растворяется в растворителе, чтобы получить чернила, которые можно печатать на гибкой пластиковой подложке аналогично тому, как чернила печатаются на газете. Полученную пленку нагревают, поэтому растворитель испаряется и перовскит может кристаллизоваться.

По мере остывания пленки перовскит, естественно, склонен сжиматься сильнее, чем материал подложки. Однако, поскольку пленка и подложка соединены, перовскит меньше сжимается в местах соприкосновения с подложкой. Подумайте о том, как центр теннисной сетки слегка провисает, потому что она ближе к состоянию покоя, но по бокам она находится выше, потому что ее удерживают шесты. Разница между естественным рисунком решетки перовскита (например, серединой теннисной сетки) и рисунком в прямом контакте с подложкой (например, сторонами теннисной сетки) вызывает напряжение, образуя градиент деформации решетки.

«Мы знаем, что деформация решетки является проблематичной и, вероятно, создает нестабильность», — сказал Принц. «Мы также знаем, что в этих пленках существует вертикальный градиент деформации, а это означает, что величина деформации в верхней части пленки отличается от нижней. До сих пор никто не связал эти градиенты деформации со стабильностью, как и как эти градиенты приводят к разной плотности дефектов в перовскитных пленках».

Устранение дефектов и модуляция деформации

Одним из известных способов смягчить эти дефекты, хотя их поведение до конца не изучено, является включение в пленки перовскита органических материалов, называемых добавками.

«Присадки в основном устраняют дефекты и удаляют их из уравнения», — сказал Принц. «Мы собираемся использовать эти добавки не только для борьбы с дефектами, но и для того, чтобы позволить модулировать напряжение в перовскитном материале, чтобы мы потенциально могли раздвигать атомы или сталкивать их вместе и получать разные свойства и стабильность». "