Eine unerwartete Grauzone könnte langlebige Solarzellen hervorbringen

Anonim

Die Werkstoffingenieure der University of Wisconsin-Madison haben eine überraschende Entdeckung gemacht, die die Lebensdauer von Solarenergieerntegeräten drastisch verbessern könnte.

Die Ergebnisse erlaubten ihnen, die längste Lebensdauer für eine Schlüsselkomponente einiger Arten von photovoltaischen Zellen zu erreichen, die photoelektrochemische Elektrode genannt wird. Diese nutzt Sonnenlicht, um Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.

In einem am 24. Juli 2018 veröffentlichten Artikel in der Forschungszeitschrift Nano Letters, ein Team von UW-Madison Materials Science and Engineering Ph.D. Der Student Yanhao Yu und sein Berater Professor Xudong Wang beschrieben eine Strategie, die die Lebensdauer einer photochemischen Elektrode auf satte 500 Stunden verlängerte - mehr als das Fünffache der typischen 80-Stunden-Lebensdauer.

Normalerweise bestehen diese Elektroden aus Silizium, das Wasser gut spaltet, aber sehr instabil ist und sich schnell zersetzt, wenn es in Kontakt mit korrosiven Bedingungen kommt. Um diese Elektroden zu schützen, beschichten die Ingenieure oft ihre Oberflächen dünn.

Es ist eine Taktik, die ihren eventuellen Zusammenbruch nur verzögert - manchmal nach ein paar Tagen und manchmal innerhalb von Stunden.

"Leistung variiert stark und niemand weiß wirklich warum. Das ist eine große Frage", sagt Wang, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften an der UW-Madison.

Interessanterweise haben die Forscher das Beschichtungsmaterial nicht verändert. Sie erhöhten vielmehr die Lebensdauer der Elektrode, indem sie eine noch dünnere Titandioxidschicht als üblich aufbrachten.

Mit anderen Worten, weniger war wirklich mehr.

Der Schlüssel zu dieser außergewöhnlichen Leistung war die Entdeckung des Teams über die atomare Struktur von Titandioxid-Dünnschichten, die die Forscher mit einer Technik namens Atomlagenabscheidung herstellen.

Zuvor glaubten Forscher, dass die Atome in Titandioxiddünnfilmen eine von zwei Konformationen angenommen hätten - entweder verwirrt oder ungeordnet in einem Zustand, der als "amorph" bezeichnet wird, oder in einer sich regelmäßig wiederholenden und vorhersagbaren Anordnung, die als kristalline Form bezeichnet wird.

Entscheidend war, dass die Forscher sicher waren, dass sich alle Atome in einem bestimmten dünnen Film auf die gleiche Weise verhielten. Kristallin oder amorph. Schwarz oder weiß. Nein dazwischen.

Was Wang-Kollegen jedoch fanden, ist eine Grauzone: Sie sahen, dass in den Endschichten kleine Zwischenpunktzonen verblieben - die atomare Struktur in diesen Bereichen war weder amorph noch kristallin. Diese Zwischenprodukte wurden noch nie zuvor beobachtet.

"Dies ist eine Schneide der Materialsynthese Wissenschaft", sagt Wang. "Wir denken, dass die Kristallisation nicht so einfach ist, wie die Leute glauben."

Die Beobachtung dieser Zwischenprodukte war keine leichte Aufgabe. Wangs Kollege Paul Voyles, ein Mikroskopieexperte, der die einzigartigen Möglichkeiten von UW-Madison nutzte, anspruchsvolle Rasterelektronenmikroskopie-Messungen durchzuführen, um die winzigen Strukturen zu erkennen.

Von dort aus stellten die Forscher fest, dass diese Zwischenprodukte die Lebensdauer von Titandioxid-Dünnfilmen herabsetzten, indem sie zu Spannungsspitzen im Elektronenstrom führten, die winzige Löcher in den Schutzschichten gefressen haben.

Die Beseitigung dieser Zwischenprodukte - und damit die Verlängerung der Lebensdauer der Beschichtung - ist so einfach wie die Verwendung eines dünneren Films.

Dünnere Filme erschweren die Bildung von Zwischenprodukten im Film, und durch die Reduzierung der Dicke um drei Viertel (von 10 Nanometer auf 2, 5) erzeugten die Forscher Beschichtungen, die mehr als fünf Mal länger dauerten als herkömmliche Beschichtungen.

Jetzt, da sie diese eigenartigen Strukturen entdeckt haben, möchten die Forscher mehr darüber erfahren, wie sie amorphe Filmeigenschaften bilden und beeinflussen. Dieses Wissen könnte weitere Strategien für deren Beseitigung aufzeigen, die nicht nur die Leistung verbessern könnten, sondern auch neue Möglichkeiten in anderen energiebezogenen Systemen wie Katalysatoren, Solarzellen und Batterien eröffnet.

"Diese Zwischenprodukte könnten etwas sehr Wichtiges sein, das übersehen wurde", sagt Wang. "Sie könnten ein kritischer Aspekt sein, der die Eigenschaften des Films steuert."

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