Đánh thức lại pin mặt trời đầu tiên trên thế giới cho các ứng dụng quang điện trong nhà
Phân tích Se cho quang điện trong nhà. (A) Mức tiêu thụ năng lượng của các giao thức không dây được sử dụng trong hệ sinh thái IoT. (B) So sánh phổ phát xạ của năng lượng mặt trời AM1.5G, đèn LED 2700 K và FL được ghi ở 1000 lux. Cường độ quang phổ của LED và FL được khuếch đại 40 và 10 lần để hiển thị rõ ràng. (C) Các giới hạn S-Q phụ thuộc vào dải tần dưới ánh sáng từ một mặt trời, đèn LED và FT ở 1000 lux, tương ứng. Được điều chỉnh với sự cho phép từ ref 7. Bản quyền 2019, Wiley-VCH Verlag. (D) Phổ hấp thụ của màng Se. Inset: Tauc cốt truyện cho phim Se để xác định bandgap của Se. (E) Hệ số hấp thụ phụ thuộc bước sóng của Se. (F) DTA của bột Se vô định hình ở tốc độ tăng dần 5°C tối thiểu trong môi trường dòng chảy N2. Nguồn: Những tiến bộ khoa học, DOI: 10.1126/sciadv.adc9923
Quang điện ở trạng thái rắn đầu tiên trên thế giới được báo cáo vào năm 1883, và được cấu tạo từ selen, cuối cùng đã dẫn đến sự phát triển của quang điện ngày nay, mặc dù dải rộng của selen đã hạn chế đối với các ứng dụng thu ánh sáng mặt trời.
Trong công trình hiện tại của họ được xuất bản trên Science Advances, Bin Yan và một nhóm các nhà nghiên cứu về hóa học, công nghệ nano và khoa học vật liệu ở Trung Quốc, đã xem xét lại khái niệm về vật liệu quang điện lâu đời nhất trên thế giới để mô tả vai trò của nó trong các ứng dụng quang điện trong nhà. Phổ hấp phụ của vật liệu hoàn toàn phù hợp với phổ phát xạ của các nguồn sáng trong nhà thường được sử dụng. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng mô-đun selenium để tạo ra công suất đầu ra 232,6 μW dưới ánh sáng trong nhà để cung cấp năng lượng cho thẻ định vị dựa trên tần số vô tuyến.
Lĩnh vực quang điện
Năm 1873, kỹ sư điện Willoughby Smith lần đầu tiên phát hiện ra tính quang dẫn của selen và Charles Fritts đã chế tạo pin mặt trời ở trạng thái rắn đầu tiên sau đó vào năm 1883 bằng cách kẹp selen giữa một lá kim loại và một lớp vàng mỏng. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng sơ bộ thấp của những khám phá ban đầu này đã khởi xướng nghiên cứu trong lĩnh vực quang điện và truyền cảm hứng cho sự xuất hiện của pin mặt trời vào năm 1954, nhằm đặt nền móng cho ngành quang điện hiện đại.
Cho đến gần đây, các nhà khoa học đã kết hợp quang điện trong nhà để chuyển đổi ánh sáng trong nhà thành năng lượng điện có thể sử dụng cho các thiết bị không dây như cảm biến, bộ truyền động và thiết bị liên lạc. Trong công việc này, Yan et al. đã cho thấy những lợi thế độc đáo của việc sử dụng selen cho quang điện trong nhà với băng thông rộng phù hợp và tính ổn định môi trường nội tại. Nhóm cũng đã phát triển các mô-đun selen để tạo ra công suất đầu ra là 232,6 μW, nhằm cung cấp năng lượng cho thiết bị không dây internet vạn vật để định vị dựa trên nhận dạng tần số vô tuyến.
Hiệu suất quang điện của các tế bào Se được đo trong AM1.5G và điều kiện ánh sáng trong nhà. (A) Sơ đồ kiến trúc pin mặt trời màng mỏng Se. ( B ) Ảnh SEM mặt cắt ngang của ô Se. (C) Số liệu thống kê PCE của 20 tế bào Se cho các lớp Te 0,5-, 2,5- và 5nm được đo dưới AM1.5G và độ chiếu sáng trong nhà là 1000 lux. ( D ) Các đường cong JV của các thiết bị Se lớp Te 0, 5, 2, 5 và 5nm dưới ánh sáng một mặt trời tiêu chuẩn. ( E ) Các đường cong EQE của các thiết bị Se lớp Te 0, 5, 2, 5 và 5nm. ( F ) Các đường cong J-V của các thiết bị Se lớp Te 0,5, 2,5 và 5nm dưới ánh sáng trong nhà 1000 lux. Nguồn: Những tiến bộ khoa học, DOI: 10.1126/sciadv.adc9923
quang điện trong nhà
Giờ đây, có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị "internet vạn vật" bằng cách thu ánh sáng trong nhà thông qua quang điện trong nhà (IPV). Khái niệm này là một lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển, nơi nhiều công nghệ bao gồm pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm và quang điện hữu cơ và pin mặt trời perovskite chì halogenua được khám phá về chức năng của chúng.
Ánh sáng trong nhà thường được thiết kế để phù hợp với độ nhạy của mắt người, do đó, theo thiết kế, các thành phần của nó khác với quang điện ngoài trời thông thường. Khi các tính năng hiện có của selen được kết hợp với tính không độc hại và độ ổn định tuyệt vời của nó, Yan et al. được coi là vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng quang điện trong nhà.
Tối ưu hóa các thí nghiệm để cải thiện kết quả
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một cấu hình siêu bề mặt của thủy tinh/thiếc oxit pha tạp Flo với titan oxit/tellurium/selenium và vàng để phát triển pin mặt trời selen màng mỏng. Trong quá trình này, họ đã sử dụng oxit titan thân thiện với môi trường để tạo thành lớp đệm và chế tạo các thiết bị dựa trên selen không độc hại để hỗ trợ các ứng dụng chiếu sáng trong nhà.
Khảo sát ảnh hưởng của Te đến chất lượng mặt phân cách giữa Se và TiO2. So sánh cơ chế hoạt động giữa (A) điều kiện trong nhà và (B) điều kiện một nắng. Các mô hình DFT cho (C) khuyết tật bề mặt được định vị tại giao diện Se/TiO2 được biến đổi Te và (D) khuyết tật bề mặt được định vị tại giao diện Se/TiO2. (E) Phổ XPS của Te 3d được ghi lại trong quá trình phún xạ từ trên xuống dưới của phim Te. au, đơn vị tùy ý. Hình ảnh AFM của các lớp (F) 0,5 nm và (G) 2,5 nm Te. (H) Các đặc tính C-V và DLCP của 0,5 nm Te và
Thiết bị Te 2,5nm. Tín dụng: Những tiến bộ khoa học, DOI: 10.1126/sciadv.adc9923
Trong các thí nghiệm, họ đã nghiên cứu pin mặt trời selen dưới ánh sáng tiêu chuẩn một mặt trời và đo hiệu suất quang điện trong nhà của các thiết bị dưới ánh sáng trong nhà ở 1000 Lux, với nguồn sáng LED thông thường để mô phỏng môi trường chiếu sáng. Kết quả cũng dẫn đến việc tối ưu hóa lớp Tellurium để tạo điều kiện cho cường độ ánh sáng khác nhau đáng kể giữa ánh sáng trong nhà và ánh sáng mặt trời.
Ánh sáng trong nhà tương đối chỉ có thể tạo ra một số lượng hạt tải điện tương đối nhỏ do cường độ rất yếu của nó. Do đó, nhóm đã cải tiến thiết bị để thu được hiệu ứng pha tạp quang tích cực nhằm tối ưu hóa pin mặt trời selen trong điều kiện ánh sáng trong nhà. Yan et al. Tellurium được kết hợp bổ sung tại giao diện selen/titan oxit để tạo ra một liên kết bền vững cho quá trình thụ động hóa bề mặt.
Ứng dụng của các thiết bị
Bạn có thể sử dụng các thiết bị này để điều tra một loạt điều kiện ánh sáng trong nhà thường được yêu cầu đối với các môi trường ánh sáng như phòng khách, thư viện hoặc siêu thị sáng sủa. Các tế bào selen vượt trội so với các tế bào dựa trên silicon đang thống trị thị trường hiện là tiêu chuẩn công nghiệp cho quang điện trong nhà, liên quan đến cả hiệu suất chuyển đổi năng lượng và độ ổn định.
Ứng dụng trong việc cấp nguồn cho thiết bị không dây IoT. (A) Công suất phát xạ và phổ công suất tích hợp của đèn LED 2700 K ở 1000 lux. (B) Các đường cong J-V của thiết bị Te 2,5nm dưới ánh sáng ở 200, 500 và 1000 lux. ( C ) Sự phát triển của PCE được chuẩn hóa của thiết bị Se không được đóng gói dưới ánh sáng trong nhà liên tục ở 1000 lux trong môi trường xung quanh. ( D ) Các đường cong J-V của thiết bị Se có diện tích lớn (2,25 cm2) riêng lẻ và mô-đun (3 × 2,25 cm2) dưới ánh sáng trong nhà ở 1000 lux. Hình nhỏ: Ảnh chụp từng ô và mô-đun Se diện tích lớn. (E) Sơ đồ thẻ nội địa hóa dựa trên RFID tự cấp nguồn được kích hoạt bởi mô-đun Se dưới ánh sáng trong nhà. (F) Số lượng tín hiệu được đo mỗi phút từ thẻ RFID được hỗ trợ bởi mô-đun Se. Nguồn: Những tiến bộ khoa học, DOI: 10.1126/sciadv.adc9923
Ngược lại, các tế bào dựa trên silicon chỉ thể hiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng dưới 10%, với khả năng quang hóa tương đối tối thiểu. Dựa trên những quan sát này, nhóm đã coi các thiết bị dựa trên selen là một ứng cử viên thay thế hấp dẫn hơn. Họ cũng đã nghiên cứu khả năng của thiết bị selen để cung cấp năng lượng cho các thiết bị không dây kết nối Internet vạn vật.
Quan điểm
Bằng cách này, Bin Yan và các đồng nghiệp đã diễn giải lại selen, vật liệu quang điện lâu đời nhất hiện có với sự xuất hiện của các thiết bị quang điện trong nhà, nhờ khả năng độc đáo của nó trong việc cung cấp dải thông rộng phù hợp để thu ánh sáng trong nhà. Vật liệu này không độc hại và có tính ổn định môi trường nội tại như các tính năng thiết yếu.
Các nhà khoa học đã tối ưu hóa thành phần vật liệu để đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng là 15%, phù hợp với độ sáng 1000 Lux trong nhà bằng tế bào selen. Kết quả này đã vượt qua hiệu quả hiện có của các tế bào silicon thương mại. Các thiết bị selen hoạt động mà không bị xuống cấp, ngay cả sau 1000 giờ chiếu sáng trong nhà liên tục.
Các kết quả của nghiên cứu làm nổi bật phạm vi sử dụng selen cho quang điện trong nhà với tiềm năng bổ sung để cung cấp năng lượng cho các thiết bị kết nối internet như một yếu tố hấp dẫn trong quang điện.
