Vormveranderende hybride materialen bieden een lichte toekomst voor zonne- en LED-innovatie

In de energie-intensieve omgeving van vandaag loopt het ontwerpen van nieuwe apparaten voor efficiëntere en hernieuwbare energiebronnen voorop in wetenschappelijk onderzoek. Een bijzonder interessante aanpak maakt gebruik van Ruddlesden-Popper Perovskites-een type gelaagd materiaal gemaakt van afwisselende vellen van anorganische en organische componenten. Deze materialen zijn potentieel ideaal voor verschillende toepassingen, waaronder lichtemitterende diodes (LED’s), thermische energieopslag en technologie voor zonnepanelen.

Recent onderzoek onder leiding van afgestudeerde student Perry Martin van de Universiteit van Utah in het Bischak Lab, gehuisvest in het Department of Chemistry, gebruikte temperatuurafhankelijke absorptie- en emissiespectroscopie, evenals röntgendiffractie, om het faseovergangsgedrag van perovskieten te bestuderen.

Het onderzoekspaper, getiteld “gekoppelde optische en structurele eigenschappen van tweedimensionale metaalhalide perovskieten over faseovergangen” is gepubliceerd in Materie.

Een faseovergang is een discrete verandering van de ene toestand van materie naar de andere (zoals ijs tot vloeibaar water). Sommige stoffen, waaronder water en perovskieten, hebben meerdere vaste toestanden met verschillende eigenschappen.

Het Bischak Lab toonde een verband tussen faseovergangen en de emissieve eigenschappen van het materiaal. Dit introduceert een vorm van dynamische controle of afwijzing, die meerdere voordelen biedt voor technologische toepassingen. In het bijzonder, omdat perovskieten zowel organische als anorganische componenten bevatten, ondergaan de organische lagen fase -overgangen die de structuur van de anorganische lagen beïnvloeden.

Het samenspel van de organische en anorganische lagen verandert de eigenschappen van het materiaal drastisch.

“Er zijn deze bijna vettige ketens die samen kristalliseren. Wanneer je een bepaalde temperatuur raakt, zullen die in wezen smelten en meer ongeordend worden”, zei assistent -professor Connor Bischak, senior auteur van de nieuwe studie.

“Het smeltproces beïnvloedt de structuur van de anorganische component, die regelt hoeveel licht wordt uitgestoten uit het materiaal en de golflengte.”

Door deze studie heeft het Bischak Lab verschillen in vervorming binnen de anorganische component waargenomen. Deze vervormingen resulteren in controleerbare veranderingen in de golflengte van het licht, wat een cruciaal onderdeel is van het ontwerpen van instelbare LED’s en andere elektronische apparaten.

“Perovskites kunnen gemakkelijk op moleculair niveau worden gemanipuleerd,” voegde Bischak eraan toe. “De emissiegolflengte kan worden afgestemd van ultraviolet tot bijna-infrarood.”

Deze afstembaarheid is een grote sterkte voor toepassingen in energieopslagtechnologie. Vooral thermische energieopslag is een opwindend gebied voor perovskiettoepassingen, omdat ze kunnen worden afgestemd om specifieke eigenschappen te hebben door hun temperatuur aan te passen. Bovendien kunnen perovskieten herhaald thermisch cycli ondergaan met minimale afbraak, waardoor een grotere efficiëntie en een lange levensduur zorgen in vergelijking met de huidige industriestandaard materialen.

Bovendien bieden Perovskites krachtige voordelen voor de volgende generatie zonneceltechnologie. Hoewel silicium al lang het standaardmateriaal voor zonnecellen is, wordt het geconfronteerd met beperkingen vanwege het energie-intensieve productieproces en voortdurende supply chain-problemen. Perovskites zijn daarentegen oplossingswerkbare materialen.

“Wat dat betekent is dat je in feite al deze voorloperchemicaliën in een oplosmiddel oplost, en dan kun je je zonnecel bijna maken als afdrukken met inkt,” zei Bischak. “Het produceert een efficiënt zonnecelmateriaal dat beter is dan silicium.”

Een bijkomend voordeel is dat bestaande silicium zonneceltechnologie met perovskieten kan worden aangetast om hun efficiëntie aanzienlijk te verhogen.

Naarmate de vraag naar schonere en meer aanpasbare energieoplossingen blijft stijgen, bieden perovskietmaterialen een veelbelovend pad vooruit. Hun unieke afstemming, het gemak van verwerking en compatibiliteit met huidige technologieën maken hen een sterke kandidaat voor innovatie in energieoplossingen.