Laborchemiker verprügeln ultradünnes Werkstoff vor, um die Eta von Solarzellen zu verdoppeln

Solarenergietechnologien, die Solarzellen verwenden, um Sonnenlicht in Strom oder speicherbare Brennstoffe umzuwandeln, profitieren in einer Welt an Rang, die ihren Energieverbrauch übrig fossile Brennstoffe hinaus sucht.

Die dunkelblauen Solarmodule, die heute hinaus Dächern und offenen Feldern zu finden sind, vorliegen typischerweise aus Silizium, einem gut getesteten Halbleitermaterial. Die Silizium-Photovoltaik-Technologie hat jedoch ihre Säumen, da sie solange bis zu 40 % welcher aus dem Sonnenlicht gewonnenen Kraft in Form von Wärmeabfällen verliert. Forscher an welcher Colorado State University untersuchen radikal neue Wege, um die Solarenergie zu verbessern und welcher Industrie mehr Möglichkeiten zur Erkundung zu eröffnen.

CSU-Laborchemiker verprügeln vor, Solarzellen nicht aus Silizium herzustellen, sondern aus einem reichlich verfügbaren natürlichen Werkstoff namens Molybdändisulfid. Unter Verwendung einer kreativen Verknüpfung aus photoelektrochemischen und spektroskopischen Techniken führten die Forscher eine Schlange von Experimenten durch, die zeigten, dass extrem dünne Filme aus Molybdändisulfid beispiellose Ladungsträgereigenschaften verfügen, die eines Tages Solartechnologien drastisch verbessern könnten.

Die Experimente wurden von Chemie Ph.D. Studentin Rachelle Austin und Postdoktorand Yusef Farah. Austin arbeitet verbinden in den Labors von Justin Sambur, außerordentlicher Professor am Fachbereich Chemie, und Bernsteinfarben Krummel, außerordentlicher Professor am selben Fachbereich. Farah ist ein ehemaliger Ph.D. Student in Krummels Laboratorium. Ihre Arbeit wurde in Proceedings of the Nationalistisch Academy of Sciences veröffentlicht.

Die Zusammenarbeit brachte Samburs Expertise in welcher Solarenergieumwandlung unter Verwendung von Materialien im Nanomaßstab und Krummels Expertise in ultraschneller Laserspektroskopie zusammen, um zu verstehen, wie verschiedene Materialien strukturiert sind und wie sie sich verhalten. Samburs Laboratorium interessierte sich für jedes Molybdänsulfid wie mögliches alternatives Solarmaterial, basierend hinaus vorläufigen Datenmaterial zu seinen Lichtabsorptionsfähigkeiten, wenn auch es nur drei Atome dick ist, erklärte Austin.

Dann wandten sie sich an Krummel, dessen Laboratorium ein hochmodernes ultraschnelles Pump-Probe-Transientenabsorptionsspektrometer enthält, dies die sequentiellen Energiezustände einzelner Elektronen sehr genau messen kann, wenn sie mit einem Laserpuls angeregt werden. Experimente mit diesem speziellen Musikinstrument können Momentaufnahmen darüber liefern, wie Ladungen in einem System fließen. Austin schuf eine photoelektrochemische Zelle mit einer einzigen atomaren Schicht aus Molybdänsulfid, und sie und Farah verwendeten den Pump-Probe-Laser, um die Kühlung von Elektronen zu verfolgen, während sie sich durch dies Werkstoff bewegten.

Welches sie fanden, war eine erstaunlich effiziente Umwandlung von Licht in Kraft. Noch wichtiger ist, dass die Laserspektroskopie-Experimente es ihnen ermöglichten zu zeigen, warum solche effiziente Umwandlung möglich war.

Sie fanden hervor, dass dies Werkstoff Licht so gut in Kraft umwandelt, weil seine Kristallstruktur es ihm ermöglicht, die Kraft sogenannter heißer Ladungsträger zu extrahieren und zu nutzen, zusammen mit denen es sich um hochenergetische Elektronen handelt, die temporär aus ihrem Grundzustand angeregt werden, wenn sie mit genug sichtbarem Licht getroffen werden Licht. Austin und Farah fanden hervor, dass in ihrer photoelektrochemischen Zelle die Kraft dieser heißen Ladungsträger sofort in Photostrom umgewandelt wurde, anstatt wie Wärme verloren zu umziehen. Dieses Phänomen welcher Extraktion heißer Ladungsträger ist zusammen mit herkömmlichen Siliziumsolarzellen nicht vorhanden.

„Ebendiese Arbeit ebnet den Weg, um zu wissen, wie man Reaktoren konstruiert, die solche Materialien im Nanomaßstab für jedes eine effiziente und großtechnische Wasserstoffproduktion enthalten“, sagte Sambur.

Dies Projekt war eine Zusammenarbeit mit Professor Andres Montoya-Castillo und Dr. Thomas Sayer von welcher University of Colorado Boulder, die theoretische Chemie und Computermodellierung beisteuerten, um die experimentellen Datenmaterial zu exemplifizieren und zu verifizieren.

„Die Fund erforderte vereinen ‚Team Science‘-Konzept, welcher viele verschiedene Arten von Fachwissen in welcher computergestützten, analytischen und physikalischen Chemie zusammenbrachte“, sagte Krummel.

Forschungsbericht:Hot Carrier Extraction aus 2D-Halbleiter-Photoelektroden

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Colorado State University

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