Nieoczekiwany szary obszar może przynieść długotrwałe ogniwa słoneczne

Anonim

Inżynierowie z University of Wisconsin-Madison dokonali zaskakującego odkrycia, które może znacznie poprawić żywotność urządzeń do pozyskiwania energii słonecznej.

Odkrycia pozwoliły im osiągnąć najdłuższy czas życia kluczowego komponentu niektórych typów ogniw fotowoltaicznych, zwanego elektrodą fotoelektrochemiczną, która wykorzystuje światło słoneczne do podziału wody na jej części składowe wodoru i tlenu.

W artykule opublikowanym 24 lipca 2018 r., W czasopiśmie naukowym Nano Letters, zespół kierowany przez UW-Madison materiały naukowe i inżynierskie Ph.D. student Yanhao Yu i jego doradca, profesor Xudong Wang, opisali strategię, która przedłużyła żywotność elektrody fotochemicznej do 500 godzin - ponad pięciokrotność typowego czasu życia wynoszącego 80 godzin.

Zazwyczaj tego typu elektrody są wykonane z krzemu, który dobrze rozdziela wodę, ale jest bardzo niestabilny i szybko ulega degradacji, gdy wejdzie w kontakt z korozyjnymi warunkami. Aby chronić te elektrody, inżynierowie często cienko pokrywają swoje powierzchnie.

Jest to taktyka, która opóźnia ich ostateczny rozkład - czasami po kilku dniach, a czasem w ciągu kilku godzin.

"Wydajność jest bardzo różna i nikt nie wie dlaczego, to duże pytanie" - mówi Wang, profesor inżynierii materiałowej i inżynierii w UW-Madison.

Intrygujące, badacze nie dokonali żadnych zmian w materiale powłokowym. Zamiast tego zwiększyły one trwałość elektrody, stosując jeszcze cieńszą powłokę z dwutlenku tytanu niż zwykle.

Innymi słowy, mniej naprawdę było więcej.

Kluczem do tego wyjątkowego wykonania było odkrycie zespołu na temat struktury atomowej cienkich warstw dwutlenku tytanu, które naukowcy tworzą przy użyciu techniki zwanej osadzaniem warstwy atomowej.

Wcześniej naukowcy uważali, że atomy w cienkich warstwach dwutlenku tytanu przyjmują jedną z dwóch konformacji - albo są wymieszane i nieuporządkowane w stanie określanym jako "bezpostaciowy", albo zamknięte w regularnie powtarzalnym i przewidywalnym układzie zwanym formą krystaliczną.

Co najważniejsze, naukowcy byli pewni, że wszystkie atomy w danym cienkim filmie zachowały się w ten sam sposób. Krystaliczny lub bezpostaciowy. Czarny czy biały. Nie pomiędzy.

To, co odkryli koledzy z Wang, to jednak szara strefa: widzieli, że małe powłoki w stanie pośrednim przetrwały w końcowych powłokach - struktura atomowa w tych obszarach nie była ani amorficzna, ani krystaliczna. Te produkty pośrednie nigdy wcześniej nie były obserwowane.

"To najnowocześniejsza nauka o syntezie materiałów" - mówi Wang. "Myślimy, że krystalizacja nie jest tak prosta, jak ludzie wierzą".

Obserwowanie tych półproduktów nie było łatwym zadaniem. Podaj kolegę Wanga, Paula Voylesa, eksperta w dziedzinie mikroskopii, który wykorzystał wyjątkowe urządzenia UW-Madison do wykonywania skomplikowanych pomiarów mikroskopowych z transmisyjnym mikroskopem elektronowym, umożliwiając mu wykrycie maleńkich struktur.

Stąd naukowcy ustalili, że te półprodukty obniżały żywotność cienkich warstw dwutlenku tytanu, prowadząc do skoków prądu elektrycznego, które zjadały małe otwory w powłokach ochronnych.

Wyeliminowanie tych związków pośrednich, a więc wydłużenie czasu życia powłoki, jest tak proste, jak użycie cieńszej folii.

Cieńsze folie utrudniają powstawanie półproduktów w folii, więc zmniejszając grubość o trzy czwarte (od 10 nanometrów do 2, 5), naukowcy stworzyli powłoki, które trwały ponad pięć razy dłużej niż tradycyjne powłoki.

A teraz, odkąd odkryli te szczególne struktury, naukowcy chcą dowiedzieć się więcej o tym, jak tworzą i wpływają na amorficzne właściwości folii. To wiedza, która może ujawnić inne strategie ich eliminacji - co nie tylko może poprawić wydajność, mówi Wang, ale także otwiera nowe możliwości w innych systemach związanych z energią, takich jak katalizatory, ogniwa słoneczne i baterie.

"Te półprodukty mogą być czymś bardzo ważnym, co zostało przeoczone" - mówi Wang. "Mogą być krytycznym aspektem, który kontroluje właściwości filmu."

menu
menu