Moleculaire ferro-elektrische apparaten drijven tweedimensionale dunne film zonnecellen aan

Tweedimensionale (2D) dunne films van perovskiet bezitten diverse afstembaarheid, uitstekende opto-elektronische eigenschappen en superieure stabiliteit op lange termijn, die van groot belang zijn voor de hoge prestaties van perovskietzonnecellen. Deze studie werd geleid door professor Guifu Zou van het College of Energy, Soochow Institute for Energy and Materials Innovations, Soochow University.

“Het grootste obstakel voor het bereiken van krachtige 2D perovskiet-zonnecellen is het inferieure ladingstransport buiten het vlak dat wordt veroorzaakt door de afwisselende opstelling van anorganische raamwerken en organische ruimtelagen, ook wel bekend als meerdere kwantumbron elektronische structuren”, zegt professor Zou.

“In het afgelopen decennium is moleculaire ferro-elektriciteit met perovskietstructuur uitgebreid bestudeerd vanwege uitstekende eigenschappen zoals sterke verzadigingspolarisatie, hoge Curie-temperatuur, multiaxiale eigenschappen, lage voorbereidingstemperatuur en smalle bandafstand. Het polarisatieveld in moleculaire ferro-elektriciteit zal enorm zijn nuttig om de prestaties van 2D perovskiet zonnecellen te verbeteren.”

Zoals gedocumenteerd in een nieuw artikel dat vandaag is gepubliceerd in Nationale wetenschappelijke recensiefabriceerden onderzoekers 2D perovskiet-zonnecellen op basis van moleculair ferro-elektrisch met grote spontane polarisatie, hoge Curie-temperatuur en multi-equivalente ferro-elektrische assen.

“De gematigde bandafstand en hoge absorptiecoëfficiënt van deze materialen maken een effectieve absorptie van zichtbaar licht mogelijk. Bovendien maakt hun lage kristallisatietemperatuur het mogelijk om apparaten te ontwerpen met structuren met een optimaal energieniveau”, zegt Chen Wang, eerste auteur van de studie en een Ph. .D. student in het team van professor Zou.

“De hoge Curie-temperatuur, grote spontane polarisatie en sterke restpolarisatie zorgen voor uitstekende ferro-elektrische eigenschappen bij kamertemperatuur.”

Studies naar de foto-elektrische eigenschappen van moleculaire ferro-elektrische materialen hebben aangetoond dat het depolarisatieveld de fotoluminescentie en het grensvlakenergieniveau van de film kan beïnvloeden.

De chemische omgeving van de samenstellende elementen verandert na polarisatie, wat aangeeft dat het anorganische loodjodide-raamwerk zou kunnen deelnemen aan het polarisatieproces. “We hopen dat onze bevindingen zullen bijdragen aan een beter begrip van het polarisatieproces in moleculaire ferro-elektriciteit”, zegt Wang.

“Wat we ontdekten, is dat polarisatievelden effectief ladingen kunnen scheiden en transporteren die vastzitten in meerdere elektronische kwantumputstructuren, wat resulteert in verbeterde apparaatprestaties na polarisatie”, zegt een andere Ph.D. student Lutao Li van het team van professor Zou, de co-auteur van het nieuwe artikel.

“Onder één zonlicht bereikten de verkregen 2D ferro-elektrische zonnecellen een indrukwekkende prestatie, namelijk de hoogste nullastspanning (1,29 V) en de beste efficiëntie onder de 2D (n=1) Ruddlesden-Popper perovskiet zonnecellen.”

Simulaties van ferro-elektrische fotovoltaïsche apparaten kunnen helpen bij het begrijpen van het ruimteladingsgebied en het elektrische potentieel binnen de pinovergang onder invloed van polarisatie.

Deze studie biedt niet alleen een oplossingsplatform voor de slechte geleidbaarheid buiten het vlak van intrinsieke meervoudige kwantumput elektronische structuurlimieten van 2D-materialen, maar demonstreert ook een veelbelovende toepassing voor 2D-moleculaire materialen voor opto-elektronica.

“Dunne-filmmaterialen worden uitgebreid onderzocht op het gebied van opto-elektronica en fotovoltaïsche cellen, en het creëren van wenselijke dunne films of het overtreffen van de beperkingen van 2D-dunne-filmmaterialen is een grote uitdaging. Professor Zou’s innovatieve werk overbrugt moleculaire ferro-elektrische met perovskiet fotovoltaïsche cellen, waarbij de intrinsieke limieten worden overwonnen van de meervoudige kwantumbron elektronische structuur van 2D-materialen. Deze doorbraak heeft geleid tot de demonstratie van zeer efficiënte 2D-dunne-filmzonnecellen”, zegt Dr. Nilan JB Kamathwatta, een dunne-filmwetenschapper bij Intel Corporation.

“In de afgelopen jaren hebben opkomende moleculaire ferro-elektrische materialen met unieke en uitstekende eigenschappen veelbelovende vooruitzichten getoond op het gebied van ferro-elektriciteit. Deze opwindende ontwikkelingen hebben ferro-elektrisch onderzoek opnieuw tot een hot topic gemaakt. Het werk van professor Zou levert bewijs voor een dieper begrip van de oorsprong van ferro-elektriciteit in moleculaire ferro-elektriciteit. Ik geloof dat deze studie meer aandacht van wetenschappers zal trekken voor moleculaire ferro-elektriciteit en hun toepassingen op verschillende gebieden verder zal uitbreiden”, zegt professor Rengen Xiong, directeur van het Order Matter Science Research Center aan de Nanchang University.

“Perovskiet-zonnecellen hebben de afgelopen jaren ongekende aandacht getrokken vanwege hun hoge energieconversie-efficiëntie, fabricagegemak en afstembare eigenschappen. In de studie van professor Zou worden nieuwe moleculaire ferro-elektrische apparaten gebruikt om 2D perovskiet-zonnecellen te fabriceren. De introductie van ferro-elektriciteit verbeterde de scheiding en transport van dragers buiten het vlak, wat resulteert in uitstekende apparaatprestaties. Bovendien verbetert de opname van ferro-elektriciteit in de moleculaire ferro-elektriciteit het ingebouwde elektrische veld, waardoor innovatieve oplossingen worden geboden om perovskiet-zonnecellen met een hoge nullastspanning te bereiken, “volgens aan professor JaeJoon Lee, voorzitter van de Korean Photovoltaic Society.

De onderzoekers richten zich op het verbeteren van de efficiëntie van moleculaire ferro-elektriciteit door materialen te onderzoeken die een lagere bandgap, hogere restpolarisatie en andere gunstige eigenschappen hebben.

“In het streven naar betere prestaties in moleculaire ferro-elektrische zonnecellen, zal in de toekomst moleculaire ferro-elektriciteit met een lage bandkloof met 3D-structuren meer aandacht krijgen. Er valt nog veel te ontdekken op dit gebied”, zegt professor Zou.

De Guifu Zou Research Group aan de Soochow University is een toonaangevend onderzoeksteam dat zich toelegt op het verkennen van nieuwe grenzen op het gebied van dunnefilmmateriaalwetenschap. Naast hun werk aan moleculaire ferro-elektrische materialen, heeft de groep baanbrekend onderzoek gedaan op het gebied van ultradunne filmmaterialen.

Het onderzoek van het team naar dunne-filmmaterialen is gericht op het ontwikkelen van innovatieve methoden voor het aanbrengen en laten groeien van hoogwaardige dunne films met nauwkeurige controle over hun eigenschappen. Ze hebben een reeks technieken onderzocht om het groeiproces te optimaliseren en de eigenschappen van de resulterende dunne films te verbeteren.

Een van de belangrijkste verwezenlijkingen op het gebied van dunne filmmaterialen is de ontwikkeling van nieuwe methoden voor het groeien van complexe dunne films. Deze dunne films worden gekenmerkt door hun hoge kristallijne kwaliteit en uitstekende elektrische geleidbaarheid, waardoor ze ideaal zijn voor gebruik in elektronische apparaten en toepassingen voor energieconversie.

Naast hun onderzoek naar dunne films, heeft de groep ook andere soorten ultradunne films onderzocht, zoals 2D-films en andere atomair dunne films. Hun onderzoek heeft geleid tot veel belangrijke ontdekkingen en vorderingen op deze gebieden, waaronder inzichten in de groeimechanismen van ultradunne films en nieuwe fysica voor specifieke toepassingen.

Over het geheel genomen vertegenwoordigt het onderzoek van de Guifu Zou Research Group op het gebied van dunne-filmmaterialen een belangrijke bijdrage op het gebied van materiaalwetenschap. Hun werk heeft geholpen om ons begrip van de groei en optimalisatie van dunne films te vergroten en heeft nieuwe mogelijkheden geopend voor de ontwikkeling van nieuwe materialen en technologieën.