Context
În ultimii ani, eficiența celulelor solare a înregistrat o creștere semnificativă, și acest progres este atribuit în mare parte dezvoltării de materiale noi pentru captarea luminii, cum ar fi perovskiții cu halogenuri. Cu toate acestea, în ciuda acestui avans, stabilitatea celulelor solare rămâne o provocare continuă.
Un proces inovator a fost conceput și pus în aplicare de către Aditya Mohite, un inginer chimic și biomolecular de la Universitatea Rice din SUA, în colaborare cu cercetători de la Universitatea Northwestern, Universitatea din Pennsylvania și Universitatea din Rennes din Franța. Acest proces revoluționar constă în aplicarea unor straturi de semiconductori 2D pe baza de perovskit cu grosime și puritate optime, prin controlul atent al temperaturii și duratei procesului de cristalizare. Această tehnică promițătoare reprezintă un pas semnificativ către îmbunătățirea stabilității celulelor solare, deschizând noi perspective în domeniul energiei solare durabile.
Izolarea controlată cinetic
Procesul menționat, denumit izolare controlată cinetic, se anunță a deține un potențial remarcabil. Acesta are capacitatea de a îmbunătăți semnificativ stabilitatea celulelor solare și de a diminua costurile asociate cu tehnologiile emergente bazate pe halogenuri de perovskit, precum domeniile optoelectronică și fotovoltaică. Prin intermediul acestui proces, se deschid oportunități semnificative pentru dezvoltarea durabilă a energiei solare și pentru promovarea tehnologiilor curate și economice în domeniu.
Producerea de cristale de perovskit 2D cu grosimi de strat, denumite și “valoare n”, mai mari de 2 reprezintă o provocare majoră, conform afirmațiilor drd. Jin Hou de la Şcoala de Inginerie George R. Brown din cadrul Universității Rice, care este autorul principal al unui studiu publicat în revista Nature Synthesis.
Câteva informații despre cristalele de peroskit 2D
![](https://expertpoint.ro/wp-content/uploads/2023/11/1115_SOLAR-1-rn-300x234.jpg)
Cristalele de perovskit 2D sunt materiale semiconductoare deosebit de interesante, datorită structurii lor unice și a potențialului lor remarcabil în domeniul optoelectronic și fotovoltaic. Iată o privire mai detaliată asupra acestor materiale
Caracteristicile de bază:
Structura Cristalină: Perovskitul 2D are o structură cristalină ce constă într-un plan bidimensional format din ioni metalici înconjurați de atomi de halogen sau alte specii chimice. Această structură poate varia în funcție de compoziție.
Proprietăți Optoelectronice Remarcabile: Aceste materiale sunt remarcabile pentru proprietățile lor optoelectronice, inclusiv o eficiență crescută în transformarea energiei luminoase în electricitate. Aceste caracteristici fac din ele candidați potriviți pentru a fi utilizați în diferite aplicații optoelectronice.
Valoarea “n” în Cristalele de Perovskit 2D:
Grosimea Stratului: Valoarea “n” este un parametru care indică grosimea stratului de perovskit 2D. Cu cât valoarea “n” este mai mare, cu atât stratul este mai gros, iar acest aspect poate influența proprietățile materialelor, cum ar fi conductivitatea și eficiența în dispozitivele optoelectronice.
Aplicații Diverse:
Utilizări Variate: Cristalele de perovskit 2D găsesc aplicații într-o varietate de domenii, incluzând celule solare cu halogenuri de perovskit, dispozitive optoelectronice, senzori și fotodetectori. Ele prezintă potențial pentru crearea de dispozitive cu performanțe superioare.
Progrese în Sinteză și Caracterizare:
Dezvoltarea Metodelor: Cercetătorii au făcut progrese semnificative în dezvoltarea de metode de sinteză și caracterizare a acestor cristale, ceea ce a condus la obținerea de materiale cu puritate crescută și proprietăți optimizate.
Stabilitate: O provocare semnificativă constă în asigurarea stabilității acestor materiale în diferite condiții de mediu. Cercetările continuă pentru a dezvolta tehnologii care să mărească durabilitatea cristalelor de perovskit 2D în aplicațiile practice.
Astfel, cristalele de perovskit 2D reprezintă o clasă promițătoare de materiale cu caracteristici optoelectronice deosebite, cu potențial de a schimba paradigma în domeniul tehnologiilor solare și optoelectronice. Cercetările continue în acest domeniu deschid noi perspective pentru dezvoltarea de dispozitive mai eficiente și durabile.
![](https://expertpoint.ro/wp-content/uploads/2023/11/37.png)
Drumul pentru dezvoltarea de materiale cu performanțe superioare
Un factor crucial în acest proces este valoarea n mai mare de 4, care indică faptul că materialele prezintă un decalaj de bandă mai îngust și o conductivitate electrică mai mare. Această caracteristică este esențială pentru utilizarea acestor materiale în dispozitivele electronice de viitor.
În timpul cristalizării, atomii sau moleculele se dispun în rețele regulate și foarte organizate, asemănătoare structurilor gheții, care are 18 aranjamente atomice posibile sau faze. Similar, particulele din perovskitul cu halogenuri pot forma mai multe aranjamente de rețea, ceea ce afectează în mod semnificativ proprietățile materialelor. De aceea, cercetătorii își propun să sintetizeze straturi de perovskit cu halogenură 2D care prezintă un singur aranjament de fază, deschizând astfel drumul pentru dezvoltarea de materiale cu performanțe superioare în domeniul tehnologiilor viitoare.
Depășirea obstacolelor
Cu toate acestea, problema cu metodele tradiționale de sinteză a perovskiților 2D cu valoare n mai mare constă în faptul că ele generează o creștere neuniformă a cristalelor, ceea ce, la rândul său, influențează negativ fiabilitatea performanței materialului, conform unui articol publicat în Tech Xplore.
Însă cercetătorii au reușit să depășească această problemă cu succes. Dr. Jin Hou explică: “În metodele tradiționale de sinteză a perovskiților 2D, obținem cristale cu faze mixte din cauza lipsei de control asupra cineticii cristalizării, care reprezintă practic interacțiunea dinamică dintre temperatură și timp. Am proiectat o modalitate de a încetini procesul de cristalizare și de a regla fiecare parametru cinetic treptat, pentru a atinge punctul optim pentru sinteza pură în fază.” Astfel, cercetătorii au reușit să obțină cristale de perovskit 2D cu proprietăți omogene, fără amestec de faze, deschizând astfel noi perspective pentru utilizarea acestor materiale în domeniul tehnologiilor avansate.
![](https://expertpoint.ro/wp-content/uploads/2023/11/Structure-diagrams-of-2D-perovskite-with-several-orientations.png)
Planuri de viitor
Pe lângă dezvoltarea unei metode de sinteză care permite o creștere graduală a valorii “n” în cazul perovskiților cu halogenură 2D, cercetătorii au creat și o diagramă de fază a procesului prin intermediul caracterizărilor, spectroscopiei optice și învățării automate.
Această lucrare deschide noi orizonturi în sinteza perovskiților 2D cu puțuri cuantice superioare, făcându-i o opțiune viabilă și stabilă pentru o gamă variată de aplicații”, a subliniat Hou.
Ei au elaborat o metodă nouă pentru a îmbunătăți puritatea cristalelor și au reușit să rezolve o problemă persistentă în domeniu privind sinteza cristalelor cu valoarea “n” mare, fără faze mixte”, a explicat Mohite, profesor asociat de inginerie chimică și biomoleculară, știința materialelor și nanoinginerie. Laboratorul său a fost pionier în diverse metode de îmbunătățire a calității și performanței semiconductorilor cu halogenuri de perovskit, acoperind aspecte precum calibrarea etapei inițiale de cristalizare și reglarea fină a proiectării solvenților.
“Această descoperire în cercetare este esențială pentru sinteza perovskiților 2D, care joacă un rol cheie în obținerea stabilității necesare din punct de vedere comercial pentru celulele solare și pentru numeroase alte aplicații în domeniul dispozitivelor optoelectronice și interacțiunilor fundamentale cu lumină”, a adăugat Mohite.
Problema cu metodele tradiționale de sinteză a perovskiților 2D cu valoarea “n” mai mare rezidă în generarea creșterii neuniforme a cristalelor, afectând astfel fiabilitatea performanței materialelor, așa cum a subliniat Tech Xplore.
Cercetătorii au reușit să depășească această problemă prin abordarea metodelor tradiționale de sinteză. “În metodele tradiționale de sinteză a perovskiților 2D, obținem cristale cu faze mixte datorită lipsei de control asupra cineticii cristalizării, care reprezintă interacțiunea dinamică dintre temperatură și timp. Am dezvoltat o modalitate de a încetini cristalizarea și de a regla cu atenție fiecare parametru cinetic pentru a atinge momentul optim pentru obținerea unei sinteze pure în fază”, a explicat Hou. Astfel, cercetătorii au reușit să producă cristale de perovskiț 2D cu proprietăți omogene, eliminând complet fazele mixte, deschizând astfel noi posibilități pentru utilizarea acestor materiale în tehnologiile de viitor.
![](https://expertpoint.ro/wp-content/uploads/2023/11/2D-Perovskite-Sandwich-Structure.jpg)