Nepričakovana siva površina bi lahko prinesla dolgotrajne sončne celice

Words at War: Barriers Down / Camp Follower / The Guys on the Ground (Julij 2019).

Anonim

Inženirji materialov Univerze v Wisconsin-Madisonu so naredili presenetljivo odkritje, ki bi lahko dramatično izboljšalo življenjsko dobo naprav za spravilo sončne energije.

Ugotovitve so jim omogočile, da dosežejo najdaljšo življenjsko dobo za ključno sestavino nekaterih vrst fotonapetostnih celic, imenovane fotoelektrohemijska elektroda, ki uporablja sončno svetlobo za razdelitev vode v njegove sestavne dele vodika in kisika.

V prispevku, objavljenem 24. julija 2018, je v raziskovalnem dnevniku Nano Letters, ekipi pod vodstvom UW-Madison znanosti in inženiringa Ph.D. študent Yanhao Yu in njegov svetovalec, profesor Xudong Wang, opisal strategijo, ki je podaljšala življenjsko dobo fotokemične elektrode do neverjetnih 500 ur - več kot petkrat več kot običajna življenjska doba 80 ur.

Običajno so te vrste elektrod izdelane iz silicija, ki dobro delijo vodo, vendar je zelo nestabilna in se hitro poškoduje, ko pride v stik s korozivnimi pogoji. Zaradi zaščite teh elektrod, inženirji pogosto tanko plaščajo svoje površine.

To je taktika, ki samo zamuja njihovo morebitno zlom - včasih po nekaj dneh in včasih v urah.

"Uspešnost se zelo razlikuje in nihče ne ve, zakaj. To je veliko vprašanje, " pravi Wang, profesor materialov znanosti in inženiringa v UW-Madisonu.

Zanimivo, raziskovalci niso spremenili materiala za premaze. Namesto tega so podaljšali življenjsko dobo elektrode z uporabo še bolj tanjšega premaza titanovega dioksida kot običajno.

Z drugimi besedami, manj je bilo res več.

Ključ do te izjemne uspešnosti je bil odkritje ekipe o atomski strukturi tankih filmov titanovega dioksida, ki jih raziskovalci ustvarijo z uporabo tehnike, ki se imenujejo nanašanje atomskega sloja.

Raziskovalci so v preteklosti verjeli, da so atomi v tankih filmih titanovega dioksida sprejeli eno od dveh konformacij - bodisi zmešani in neurejeni v stanju, imenovani "amorfni", ali pa se zaklenejo v redno ponavljajočo se in predvidljivo ureditev, imenovano kristalinična oblika.

Pomembno je, da so bili raziskovalci prepričani, da so se vsi atomi v določenem tankem filmu obnašali enako. Kristaliničen ali amorfen. Črno ali belo. Ne vmes.

Vendar so kolegi Wanga ugotovili, da je siva površina: videli so, da so v končnih premazih obstajali majhni žepi v medsebojnem stanju - atomska struktura na teh območjih ni bila niti amorfna niti kristalna. Ti intermediati še nikoli niso bili opaženi.

"To je vrhunec znanosti o sintezi materialov", pravi Wang. "Mislimo, da kristalizacija ni tako preprosta, kot ljudje verjamejo."

Opazovanje teh intermediatov ni bilo enostavno. Vnesite Wangovega kolega Paula Voylesa, strokovnjaka za mikroskopijo, ki je poskrbel za edinstvene zmogljivosti UW-Madison za izvedbo preizkušenih meritev elektronske mikroskopije prenosa, ki mu omogočajo zaznavanje majhnih struktur.

Od tod so raziskovalci ugotovili, da so ti vmesni produkti zmanjšali življenjsko dobo tankih filmov titanovega dioksida tako, da so vodili do konic elektronskega toka, ki so iztekli drobne luknje v zaščitnih prevlekah.

Odprava teh intermediatov, s čimer se podaljša življenjska doba premaza, je tako enostavno kot uporaba tanjšega filma.

Razredčilni filmi otežujejo, da se vmesni filmi tvorijo v filmu, tako da z zmanjšanjem debeline za tri četrtine (od 10 nanometrov do 2, 5) so raziskovalci ustvarili premaze, ki so trajale več kot petkrat daljše od tradicionalnih premazov.

In ko so odkrili te posebne strukture, raziskovalci želijo izvedeti več o tem, kako tvorijo in vplivajo na lastnosti amorfnih filmov. To je znanje, ki bi lahko razkrilo druge strategije za njihovo odpravo, kar ne bi le izboljšalo zmogljivosti, piše Wang, temveč tudi odpira nove priložnosti v drugih sistemih, povezanih z energijo, kot so katalizatorji, sončne celice in baterije.

"Ti vmesni materiali so lahko zelo pomembni, kar je bilo spregledano, " pravi Wang. "Lahko bi bili kritični vidik, ki nadzira lastnosti filma."

menu
menu