Возрождение первых в мире солнечных элементов для фотоэлектрических систем внутри помещений
Re-awakening the world's first solar cells for indoor photovoltaics applications
Анализ Se для внутренней фотогальваники. (A) Энергопотребление беспроводных протоколов, используемых в экосистеме IoT. (B) Сравнение спектров излучения солнечной батареи AM1.5G, светодиода 2700 K и FL, записанных при освещении 1000 люкс. Спектральные интенсивности светодиодов и ФЛ были усилены в 40 и 10 раз для наглядности. (C) Пределы SQ в зависимости от ширины запрещенной зоны при освещении одним солнцем, светодиодом и FT при 1000 люкс соответственно. Адаптировано с разрешения ссылки 7. Copyright 2019, Wiley-VCH Verlag. (D) Спектр поглощения пленки Se. Врезка: график Тауца для пленки Se для определения ширины запрещенной зоны Se. (E) Коэффициент поглощения Se в зависимости от длины волны. (F) ДТА порошка аморфного селена со скоростью линейного изменения 5 ° C мин-1 в проточной среде N2. Предоставлено: Science Advances , DOI: 10.1126/sciadv.adc9923.

О первых в мире твердотельных фотоэлектрических элементах было сообщено в 1883 году, и они состояли из селена, что в конечном итоге привело к развитию современных фотоэлектрических элементов, хотя широкая запрещенная зона селена ограничивала применение для сбора солнечного света.

В своей настоящей работе, опубликованной в журнале Science Advances , Бин Ян и группа исследователей в области химии, нанотехнологий и материаловедения в Китае пересмотрели концепцию старейшего в мире фотогальванического материала, чтобы описать его роль в фотогальванических применениях внутри помещений. Спектр поглощения материала идеально соответствовал спектрам излучения обычно используемых внутренних источников света. Исследователи использовали модули селена для получения выходной мощности 232,6 мкВт при освещении внутри помещений для питания метки локализации на основе радиочастотной идентификации.

Область фотовольтаики

В 1873 году инженер-электрик Уиллоуби Смит впервые обнаружил фотопроводимость селена, а затем в 1883 году Чарльз Фриттс сконструировал первые твердотельные солнечные элементы, поместив селен между металлической фольгой и тонким слоем золота. Низкая предварительная эффективность преобразования энергии этих ранних открытий положила начало исследованиям в области фотоэлектричества и вдохновила на появление солнечных элементов в 1954 году, чтобы заложить основу современной фотоэлектрической промышленности.

До недавнего времени ученые использовали внутреннюю фотогальванику для преобразования внутреннего света в полезную электроэнергию для беспроводных устройств, таких как датчики, приводы и устройства связи. В этой работе Ян и соавт. продемонстрировали уникальные преимущества использования селена для фотогальваники внутри помещений благодаря его достаточно широкой запрещенной зоне и внутренней устойчивости к окружающей среде. Команда также разработала селеновые модули с выходной мощностью 232,6 мкВт для питания беспроводных устройств Интернета вещей для локализации на основе радиочастотной идентификации.

Возрождение первых в мире солнечных элементов для фотоэлектрических систем внутри помещений
Фотогальванические характеристики Se-элементов измерены в условиях AM1.5G и освещения в помещении. (A) Схема архитектуры тонкопленочных солнечных элементов Se. (B) СЭМ-изображение поперечного сечения клетки Se. (C) Статистика PCE ячеек 20 Se для слоев Te 0,5, 2,5 и 5 нм, измеренная при AM1,5G и освещении в помещении 1000 люкс. (D) Кривые JV для устройств Se с слоем Te 0,5, 2,5 и 5 нм при стандартном освещении одним солнцем. (E) Кривые EQE для устройств Se со слоем Te 0,5, 2,5 и 5 нм. (F) Кривые JV для устройств Se с слоями Te 0,5, 2,5 и 5 нм при освещении в помещении 1000 люкс. Предоставлено: Science Advances , DOI: 10.1126/sciadv.adc9923.
Внутренняя фотогальваника

Теперь можно питать устройства «интернета вещей», собирая внутренний свет с помощью внутренней фотогальваники (IPV). Эта концепция представляет собой растущую область исследований, в которой исследуются различные технологии, включая солнечные элементы, сенсибилизированные красителем, органические фотоэлектрические элементы и перовскитные солнечные элементы на основе галогенидов свинца, на предмет их функциональности.

Внутреннее освещение обычно рассчитано на чувствительность человеческого глаза, поэтому по конструкции его элементы отличаются от обычных уличных фотогальванических элементов. Когда существующие свойства селена соединились с его нетоксичностью и отличной стабильностью, Yan et al. считается, что этот материал идеально подходит для фотоэлектрических систем внутри помещений.

Оптимизация экспериментов для улучшения результатов

Исследовательская группа приняла суперстратную конфигурацию из стекла/оксида олова, легированного фтором, с оксидом титана/теллуром/селеном и золотом для разработки тонкопленочных селеновых солнечных элементов. Во время процесса они использовали экологически чистый оксид титана для формирования буферного слоя и сконструировали нетоксичные устройства на основе селена для облегчения применения внутреннего освещения.

Возрождение первых в мире солнечных элементов для фотоэлектрических систем внутри помещений
Исследование влияния Те на качество интерфейса между Se и TiO2. Сравнение механизма работы в условиях (A) в помещении и (B) в условиях одного солнца. Модели DFT для (C) делокализованных поверхностных дефектов на границе раздела Se/TiO2, модифицированного Te, и (D) локализованных поверхностных дефектов на границе раздела Se/TiO2. (E) XPS-спектры Te 3d, записанные во время распыления сверху вниз пленки Te. а.е., произвольная единица. АСМ-изображения (F) 0,5 нм и (G) 2,5 нм слоев Te. (H) Характеристики CV и DLCP устройств Te 0,5 нм и Te 2,5 нм. Предоставлено: Science Advances , DOI: 10.1126/sciadv.adc9923.

В ходе экспериментов они изучали селеновые солнечные элементы при стандартном освещении одним солнцем и измеряли фотоэлектрические характеристики устройств в помещении при освещении в помещении при 1000 люкс с обычным светодиодным источником света для имитации освещения окружающей среды. Результаты также привели к оптимизации слоя теллура, чтобы обеспечить значительную разницу в интенсивности света между внутренним освещением и солнечным светом.

Внутренний свет может генерировать сравнительно небольшое количество носителей из-за его очень слабой интенсивности. Поэтому команда усовершенствовала устройство, чтобы получить положительный эффект фотолегирования для оптимизации селеновых солнечных элементов в условиях внутреннего освещения. Ян и др. дополнительно включен теллур на границе раздела селен/оксид титана, чтобы обеспечить прочную связь для пассивации поверхности.

Приложения устройств

Устройства можно использовать для исследования различных условий освещения в помещении, обычно необходимых для освещения таких помещений, как гостиная, библиотека или ярко освещенный супермаркет. Селеновые элементы превзошли доминирующие на рынке элементы на основе кремния, которые в настоящее время являются отраслевым стандартом для фотоэлектрических систем для помещений, как по эффективности преобразования энергии, так и по стабильности.

Возрождение первых в мире солнечных элементов для фотоэлектрических систем внутри помещений
Приложение для питания беспроводных устройств IoT. (A) Мощность излучения и интегральные спектры мощности светодиода 2700 K при 1000 люкс. (B) Кривые JV устройства Te 2,5 нм при освещении при 200, 500 и 1000 люкс. (C) Эволюция нормализованных PCE неинкапсулированного устройства Se при непрерывном освещении в помещении при 1000 люкс в окружающей атмосфере. (D) Кривые JV отдельного устройства Se большой площади (2,25 см2) и модуля (3 × 2,25 см2) при внутреннем освещении при 1000 люкс. Врезка: фотографии отдельной большой ячейки Se и модуля. (E) Схема метки локализации на основе RFID с автономным питанием, активируемой модулем Se при освещении в помещении. (F) Измеренное количество сигналов в минуту от метки RFID с питанием от модуля Se. Предоставлено: Science Advances , DOI: 10.1126/sciadv.adc9923.

Напротив, элементы на основе кремния продемонстрировали эффективность преобразования энергии ниже 10% с относительно минимальной фотостабильностью. В связи с этими наблюдениями команда сочла устройства на основе селена более привлекательным альтернативным кандидатом. Они также изучили способность селенового устройства питать беспроводные устройства Интернета вещей.

Перспектива

Таким образом, Бин Ян и его коллеги переосмыслили селен, старейший из существующих фотоэлектрических материалов с появлением фотоэлектрических устройств для помещений, благодаря его уникальной способности обеспечивать подходящую ширину запрещенной зоны для сбора света внутри помещений. Материал нетоксичен и обладает внутренней устойчивостью к окружающей среде в качестве основных характеристик.

Ученые оптимизировали состав материала для достижения эффективности преобразования энергии 15%, подходящей для внутреннего освещения 1000 люкс с селеновыми элементами. Этот результат превзошел существующую эффективность коммерческих кремниевых элементов. Селеновые устройства работали без ухудшения характеристик даже после 1000 часов непрерывного освещения в помещении.

Результаты исследования подчеркивают масштабы использования селена для фотогальваники в помещении с дополнительным потенциалом для питания устройств Интернета вещей в качестве привлекательного элемента в фотогальванике.

Образец цитирования : Повторное пробуждение первых в мире солнечных элементов для фотогальваники в помещении (2022 г., 28 декабря), получено 2 января 2023 г. с https://techxplore.com/news/2022-12-re- wakeing-world-solar-cells-indoor. .html
Этот документ защищен авторским правом. За исключением любой честной сделки с целью частного изучения или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.
Энергия и зеленые технологииВысокие технологии и инновации
Дата публикации: 2023.01.02